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Articolo metodologico

Metodo ambiente per la produzione di un ionicamente Gated Nanotubi di carbonio catodo comune in celle solari tandem Organic

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DOI:

10.3791/52380

⸱

5 novembre 2014

 ,  ,  ,  , 
1Physics Department, The University of Texas at Dallas, 2The NanoTech Institute, The University of Texas at Dallas, 3Department of Applied Physics, Aalto University School of Science

In questo articolo

Sommario

Viene presentato un metodo per fabbricare, in condizioni ambientali, dispositivi tandem fotovoltaici organici in configurazione parallela. Questi dispositivi sono dotati di un catodo comune di nanotubi di carbonio semitrasparente, trattato ad aria.

Abstract

Viene presentato un metodo per fabbricare tandem fotovoltaici organici (OPV) che non richiede alcun trattamento sotto vuoto. Questi dispositivi sono costituiti da due celle polimeriche processate in soluzione collegate in parallelo da uno strato intermedio di nanotubi di carbonio (CNT) trasparente. Questa struttura include miglioramenti nelle tecniche di fabbricazione per dispositivi OPV tandem. In primo luogo, viene considerata la necessità di catodi trattati a temperatura ambiente. L'anodo CNT nel dispositivo tandem è sintonizzato tramite gating ionico per diventare un catodo comune. Il gating ionico impiega una carica elettrica a doppio strato per ridurre la funzione di lavoro dell'elettrodo CNT. In secondo luogo, viene affrontata la difficoltà di impilare in sequenza gli strati tandem mediante l'elaborazione in soluzione. I dispositivi sono fabbricati tramite soluzione e laminazione a secco in condizioni ambientali con fasi di lavorazione parallele. Vengono descritti il metodo di fabbricazione delle singole celle polimeriche, i passaggi necessari per laminarle insieme a un comune catodo CNT e quindi fornire alcuni risultati rappresentativi. Questi risultati dimostrano il gating ionico dell'elettrodo CNT per creare un catodo comune e l'aggiunta di corrente ed efficienza come risultato della procedura di laminazione.

Introduzione

Semiconduttori polimerici sono i principali fotovoltaico organico (OPV) materiali a causa di elevato assorbimento, buone proprietà di trasporto, flessibilità e compatibilità con i substrati sensibili alla temperatura. Dispositivi OPV efficienza di conversione di potenza, η, hanno saltato in modo significativo negli ultimi anni, con l'efficienza delle celle singole più in alto del 9,1% 1, che li rende una tecnologia energetica sempre più valida.

Nonostante i miglioramenti nella η, i sottili spessori ottimali attivi dei dispositivi limitano l'assorbimento della luce e impediscono la fabbricazione affidabile. Inoltre, la larghezza spettrale di assorbimento della luce di ciascun polimero è limitato rispetto ai materiali inorganici. Abbinamento polimeri di diversa sensibilità spettrale scavalca queste difficoltà, rendendo architetture tandem 2 una innovazione necessaria.

Dispositivi tandem della serie sono l'architettura più comune tandem. In questo disegno, un materiale di trasporto degli elettronial, uno strato metallico ricombinazione opzionale, e un livello di trasporto buco collegano due strati fotoattivi indipendenti dette sotto-cellule. Collegamento sub-celle in configurazione serie aumenta la tensione a circuito aperto del dispositivo combinato. Alcuni gruppi hanno avuto successo con livelli di trasporto degenerately drogati 3 - 5, ma più gruppi hanno usato le particelle di oro o argento per favorire la ricombinazione di buche ed elettroni l'intercalare 6,7.

Al contrario, tandem paralleli richiedono un elettrodo ad alta conducibilità, sia l'anodo o il catodo, che unisce i due strati attivi. Lo strato intermedio deve essere altamente trasparente, che limita interstrati tandem serie contenenti particelle metalliche, e ancor più per le interstrati tandem parallele composte di sottili elettrodi metallici continui. I nanotubi di carbonio (CNT) fogli mostrano maggiore trasparenza di strati metallici. Così l'Istituto NanoTech, in collaborazione con l'Università di Shimane, ha introduced il concetto di utilizzare come elettrodo intercalare nella monolitici, dispositivi tandem parallele 8.

I precedenti tentativi presenti monolitici, tandem, dispositivi OPV paralleli con fogli CNT che fungono da anodi intercalare 8,9. Questi metodi richiedono una particolare attenzione per evitare corto circuito di una o entrambe le cellule o strati precedenti dannosi al momento del deposito strati successivi. Il nuovo metodo descritto in questo documento facilita fabbricazione ponendo l'elettrodo CNT sopra i polimerici strati attivi di due singole cellule, poi laminando insieme i due dispositivi separati come mostrato in Figura 1. Questo metodo è notevole come dispositivo, inclusi un'aria -stable CNT catodo, può essere realizzata esclusivamente in condizioni ambientali impiegando solo lavorazione a secco e soluzione.

Fogli CNT non sono intrinsecamente buoni catodi, in quanto richiedono drogaggio di tipo n per diminuire la funzione lavoro per raccogliere gli elettroni dalla regione fotoattivodi una cella solare 10. Doppio strato elettrico carica in un elettrolita, come un liquido ionico, può essere utilizzato per spostare la funzione di lavoro del CNT elettrodi 11 - 14.

Come descritto in un articolo precedente 15 e illustrato nella Figura 2, quando la tensione di gate (gate V) è aumenta, la funzione lavoro dell'elettrodo comune CNT viene diminuita, creando asimmetria dell'elettrodo. Questo impedisce la raccolta foro dal donatore OPV a favore della raccolta di elettroni da accettore del OPV, ei dispositivi accende, passando da fotoresistenza inefficiente in fotodiodo 15 comportamento. Va inoltre notato che l'energia utilizzata per caricare il dispositivo e il potere perso a causa di correnti di dispersione cancello è banale rispetto alla potenza generata dalla cella solare 15. Gating ionico di elettrodi CNT ha un grande effetto sulla funzione lavoro a causa della bassa densità di stati e l'altosuperficie in rapporto al volume di elettrodi CNT. Metodi simili sono stati utilizzati per migliorare una barriera Schottky all'interfaccia di CNT con n-Si 16.

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Protocollo

1. Indium Tin Oxide (ITO) Patterning e pulizia

NOTA: Utilizzare 15Ω / □ vetro ITO, e l'acquisto o tagliare il vetro ITO in dimensioni adatte per spin coating e fotolitografia. È più efficiente per eseguire i passaggi 1,1-1,7 su un pezzo di vetro più grande possibile, e poi tagliato in piccoli dispositivi. Si noti inoltre che i passaggi 1,1-1,7 richiedono il vetro ITO essere orientato con l'ITO rivolta verso l'alto. Questo può essere controllato facilmente con livello di resistenza di un multimetro.

  1. Cappotto Spin 1 ml di S1813 photoresist positivo sul ITO-lato del vetro ITO ad una velocità di 3.000 rpm per 1 min. Utilizzare più resistere per i più grandi pezzi di vetro, assicurarsi che l'intero vetro è rivestito, ed eliminare eventuali bolle prima di iniziare la verniciatura di spin.
  2. Ricottura resist vetro rivestito, su una piastra calda, a 115 ° C per 1 min.
  3. Caricare il campione e la fotomaschera sul allineatore contatto.
  4. Esporre il photoresist rivestito di vetro ITO per un approtempo dei casi. Il tempo di esposizione è di circa 10 secondi, ma variano questa volta sulla base dell'intensità della lampada UV, tipo di photoresist, e spessore.
  5. Sviluppare i substrati-UV esposti in Developer MF311. Processo automatico di un processore centrifuga produce migliori e più ripetibili risultati, ma lo sviluppo può essere fatto manualmente come seguito.
    1. Immergere il substrato-UV esposto per 1 min nello sviluppatore, seguita da risciacquo in acqua deionizzata (DI) e asciugatura con una pistola azoto. Perché lo sviluppatore perde forza in fretta, sostituire lo sviluppatore tra i campioni, o in alternativa aumentare il tempo di sviluppo in cui il riutilizzo di sviluppo.
  6. Etch i substrati ITO in acido cloridrico concentrato (HCl). Questo richiede tra 5-10 min in funzione della concentrazione di HCl. Sciacquare in acqua deionizzata, asciugare, e verificare la resistività delle parti incise con un multimetro. Se una conducibilità rimane, etch per un tempo più lungo.
  7. Dopo l'attacco, rimuovere il photoresist con acetone. Si noti che pronta rimozione del photoresist residuo impedisce HCl da over-incisione del ITO fantasia.
  8. Se necessario, tagliare i incise ITO substrati di vetro in dimensioni del dispositivo.
  9. Pulire i substrati ITO in un ultrasonicatore bagno in una sequenza di solventi - acqua distillata, acetone, toluene, metanolo, ed infine alcool isopropilico.

2. OPV Fabrication Sub-cell

  1. Preparare P3HT: PC 61 soluzione BM.
    NOTA: Per i risultati più consistenti, preparare le soluzioni in un ambiente di azoto. E 'possibile seguire questa procedura in condizioni ambientali.
    1. Trova e annotare la massa di due pulita, ~ 4 fiala di vetro ml e il berretto, e segnarli con un pennarello indelebile per distinguerli da un altro.
    2. In un vano portaoggetti azoto o argon, trasferire circa 10 mg di poli (3-hexylthiophene-2,5-diil) (P3HT) per una fiala e circa 10 mg di fenil-C 61 -butyric acido metil estere (PC 61 BM) all'altro.
    3. Pesare nuovamente le fiale per trovare la massa del P3HT e PC 61 BM.
    4. Trasferire i flaconcini con P3HT e PC 61 BM in un vano portaoggetti per il resto del processo di fabbricazione soluzione.
    5. Aggiungi un ancoretta magnetica in ciascuna provetta e aggiungere abbastanza clorobenzene per ogni per creare 45 mg / ml soluzione.
    6. Collocare le soluzioni su una piastra calda agitazione magnetica a 55 ° C per circa 2 ore o fino a quando i soluti completa dissoluzione.
    7. Miscelare volumi uguali della P3HT e PC 61 BM soluzioni insieme, e lasciare che il mescolare soluzione mista per un'altra ora prima dell'uso.
  2. Preparare PTB7: PC 71 soluzione BM.
    1. Ripetere i punti da 2.1.1 a 2.1.4 con poly({4,8-bis[(2-ethylhexyl)oxy]benzo[1,2-b:4,5-b′]dithiophene-2,6-diyl}{3-fluoro-2-[(2-ethylhexyl)carbonyl]thieno[3,4-b]thiophenediyl}) (PTB7) e fenil-7,1-butirrico estere metilico (PC 71 BM) invece di P3HT e PC61 BM.
    2. Fare una miscela del 3% in volume 1,8-diiodooctane (DIO) in clorobenzene. Questo mix si chiama DIO-CB.
    3. Aggiungere una ancoretta magnetica in ciascuna provetta e aggiungere abbastanza DIO-CB nella fiala PTB7 avere una soluzione 12 mg / ml e abbastanza DIO-CB al PC 71 BM flaconcino di avere un / ml soluzione 40 mg.
    4. Lasciate che queste soluzioni muovono su una piastra riscaldante a 70 ° C per due giorni.
    5. Mescolare le soluzioni in rapporto in peso di PTB7 a PC 71 BM di 1 a 1,5.
    6. Lasciare agitare soluzione mista per un'altra ora a 70 ° C prima dell'uso.
  3. Poli del filtro (3,4-ethylenedioxythiophene): poli (styrenesulfonate) (PEDOT: PSS) attraverso un filtro dimensioni di nylon 0,45 micron pori. Nota: questa procedura utilizza P VP AI4083.
  4. Spin Coat strati attivi.
    1. Inserite il substrato ITO puliti, ITO rivolta verso l'alto, in un pulitore UV-Ozono per 5 min.
    2. Spin-coat 120 ml di PEDOT filtrato: PSS sul UV-ozono trattati, fantasia ITO- substrato di vetros a 3.000 rpm per 1 min. Questo dovrebbe produrre uno strato spesso 30 nm.
    3. Ricottura il PEDOT: substrati ITO PSS rivestiti per 5 minuti a 180 ° C.
    4. Spin-coat 70 ml di P3HT misto: PC 61 BM soluzione su PEDOT: PSS rivestito ITO substrati a circa 1000 rpm per 1 min. Variare la velocità come necessario per depositare uno strato attivo di spessore 200 nm.
    5. Ricottura il P3HT: substrati PC 61 BM rivestito a 170 ° C per 5 min. I risultati possono variare dalla temperatura di ricottura ottimale.
    6. Spin-coat 70 ml di PTB7 misto: PC 71 BM soluzione su PEDOT: PSS rivestito ITO substrati a circa 700 rpm per 1 min. Variare la velocità come necessario per depositare uno strato attivo di spessore 100 nm.
    7. Caricare il PTB7: PC 71 BM substrati rivestiti in alto vuoto (<2 x 10 -6 Torr) camera per rimuovere DIO residuo. In genere, lasciare i campioni nella camera di O / N.

3. Realizzare il dispositivo Tandem

  1. Elettrodi in laminato CNT.
    1. Tagliare i substrati PTB7 e P3HT a metà per creare un dispositivo in tandem. Un modello ITO specializzata non richiederebbe questo passaggio. Il modello ITO dovrebbe avere almeno due parallele ITO Elettrodi estende da un bordo ad un mm dalla altra.
    2. Innanzitutto preparare il PTB7 e substrati rivestiti P3HT pulendo via polimero e PEDOT dai bordi del vetro, ed esporre la striscia ITO che verrà utilizzato come elettrodo comune come visto nel primo pannello di figura 1.
    3. Laminato l'elettrodo comune CNT sulla parte superiore degli elettrodi PTB7 e P3HT. Applicare un film SWCNT posizionando il lato CNT della carta da filtro sul dispositivo, premendo leggermente, quindi peeling la carta da filtro di distanza. Ciò è mostrato nel secondo pannello di figura 1.
    4. Densificare l'elettrodo CNT sulla superficie applicando metossi-nonafluorobutane (C 4 F 9 OCH 3) (HFE) e rivestendo CNT con una piccola amount del liquido e poi lasciare asciugare le superfici.
    5. Eliminare il polimero e CNT sopra l'ITO e vetro che avrà l'elettrodo di gate, come mostrato nel terzo pannello di figura 1. Rimuovere tutto il polimero dal vetro per evitare perdite cancello con una lama di rasoio.
    6. Laminato l'elettrodo di gate CNT sulla zona pulita dei substrati PTB7 e P3HT rivestiti. Laminato la MWCNT tirando dal bordo della foresta MWCNT con una lametta e lasciare che il foglio di stare liberamente tra alcuni tubi capillari. Passare il dispositivo attraverso il foglio indipendente di laminare il CNT sul dispositivo. L'elettrodo di gate deve avere 2-3 volte il numero di strati di cui sull'elettrodo comune.
    7. Densificare l'elettrodo di gate con HFE.
  2. Inserite una piccola goccia (≈10 ml) di liquido ionico, N, N -Diethyl- N -methyl- N - (2-metossietil) tetrafluoroborato ammonio, DEME BF-4, in cima a entrambi i CNT elettrodi di unadei substrati.
  3. Posizionare con cura il substrato senza liquido ionico sulla parte superiore del substrato con liquido ionico con gli elettrodi comuni e porta uno sopra l'altro,. Questo è mostrato in ultimo pannello di figura 1.
  4. Inserire un fotomaschera con una dimensione di apertura inferiore alla dimensione elettrodo sopra l'area attiva. Utilizzare piccole clip per tenere la fotomaschera in posizione e tenere il dispositivo insieme durante il test.

4. Misurare il dispositivo

  1. Trasferire il dispositivo nel vano portaoggetti di misura.
  2. Effettuare i collegamenti elettrici.
    1. Collegare la tensione di gate di alimentazione tra l'elettrodo comune e l'elettrodo di gate con il comune terreno.
    2. Collegare i due anodi ITO ai fili che sono collegati ad un interruttore che permette la selezione di uno o di entrambi gli anodi anodo.
    3. Collegare l'uscita del sensore all'ingresso dell'unità di misura di origine.
    4. Collegare la massa dei meas di origineUnità ure all'elettrodo comune.
  3. Misurare le caratteristiche del dispositivo IV ripetendo le seguenti operazioni per ascendente V Gate.
    1. Impostare V Cancello al valore successivo, a partire dal V Porta = 0 V a V gate = 2 V con incrementi di 0,25 V.
    2. Attendere 5 minuti o fino a quando la corrente di gate è stabilizzata. Idealmente, la corrente di gate dovrebbe stabilizzarsi intorno 10s di nanoampere.
    3. Impostare l'interruttore di entrambe le sotto-cellule.
    4. Aprire l'otturatore della lampada.
    5. Eseguire una scansione di tensione sull'unità misura fonte da volt -1 a +1 volt a circa 100 incrementi o più.
    6. Eseguire una scansione di tensione da +1 a -1 volt volt.
    7. Chiudere l'otturatore della lampada.
    8. Eseguire di nuovo le spazzate di tensione.
    9. Impostare l'interruttore al sub-cellulare di fronte.
    10. Ripetere i passaggi da 4.3.4 a 4.3.8.
    11. Impostare l'interruttore al sub-cellulare di nuovo.
    12. Ripetere i passaggi da 4.3.4 a 4.3.8.
  4. Calcolare i parametri del dispositivo.
    1. Trova la corrente di corto circuito (J SC) di ogni sub-cellulare a ciascun V gate trovando la corrente prodotta dal dispositivo quando la tensione ai capi del sub-cellula è 0 V.
    2. Trova la tensione a circuito aperto (V OC) di ogni sub-cellulare a ciascun V gate trovando la tensione prodotta dal dispositivo quando la corrente attraverso il sub-cellula è 0 A.
    3. Trova la potenza massima della cella solare moltiplicando ogni valore di tensione con ciascun valore di corrente e selezionando il valore massimo (più negativo). Ciò presuppone che si misura Corrente negativo fotografico generati.
    4. Trova l'efficienza di conversione di potenza (η) dividendo la potenza massima per la potenza della luce di ingresso.
    5. Trova il fattore di riempimento (FF) dividendo la potenza massima dal prodotto di J SC e V OC.

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Risultati

Un dispositivo in tandem formato da polimeri, in particolare polimeri di significativamente differenti band gap, diversa è di interesse pratico in quanto questi dispositivi possono assorbire la più vasta gamma spettrale della luce. In questa struttura di dispositivo, il sub-cellulare PTB7 è la cella posteriore e P3HT è il sub-cellulare anteriore. Questo ha lo scopo di assorbire la maggior quantità di luce come sub-cellulare P3HT è in gran parte trasparente alla luce lunghezza d'onda assorbita dalla sub-cellulare PTB...

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Discussione

I risultati evidenziano alcune considerazioni durante la progettazione di celle solari tandem parallelo. In particolare, se una delle sotto-cellule ha un rendimento scarso, le prestazioni in tandem influenzato negativamente. I risultati mostrano che ci sono due effetti principali. Se un sub-cellulare è in corto, ad esempio, mostra un comportamento ohmico, la FF T non sarà superiore al FF del sub-cellulare male. J T SC e V T OC saranno interessati in modo si...

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Dichiarazioni

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Ringraziamenti

Il supporto per questo lavoro è stato fornito dalla sovvenzione DOE STTR DE-SC0003664 sulle celle solari organiche tandem parallele con interstrati di fogli di nanotubi di carbonio e dalla sovvenzione AT-1617 della Welch Foundation. Gli autori ringraziano J. Bykova per aver fornito le foreste CNT e A. R. Howard, K. Meilczarek e J. Velten per l'assistenza tecnica e le utili discussioni.

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
Poli(3,4-etilendiossitiofene):p oly-(stirenesulfonato)HeraeusClevios PVP AI 4083
poli(3-esiltiofene-2,5-diil) Rieke Metals  Inc.P3HT:  P200
fenil-C61-butirrico  acido metil  estere1- MaterialePC61BM
Poli({4,8-bis[(2-etilesil)ossi]benzo[1,2-b:4,5-b′]ditiofene-2,6-diil}{3-fluoro-2-[(2-etilesil)carbonil]tieno[3,4-b]tiofenediil}) 1- MaterialePTB7
fenil-C61-butirrico estere metileSolennePC71BM
1,8-diiodoottanoSigma Aldrich250295
clorobenzeneSigma Aldrich284513
Indio Ossido di stagno Vetro rivestito 15 Ohm/SQLumtec
S1813UTD Camera bianca
MF311UTD Camera
HClUTD Camera bianca
AcetoneFisher ScientificA18-20
TolueneFisher ScientificT323-20
MetanoloBDHBDH1135-19L
IsopropanoloFisher ScientificA416-20
CEE SpincoaterBrewer Scientifichttp://www.utdallas.edu/research/cleanroom/tools/CEESpinCoater.htm
Stampante a contattoQuintelQ4000-6http://www.utdallas.edu/research/cleanroom/QuintelPrinter.htm
CPK Spin Processorhttp://www.utdallas.edu/research/cleanroom/tools/CPKsolvent.htm
Spin CoaterLaurellWS-400-6NPP/LITE
[header]
Glove BoxM-BraunLab Master 130
Solar SimulatorThermo Oriel/Newport
Keithley 2400 SMUKeithley/Techtronix2400
Keithley 7002 MultiplexerKeithley/Techtronix7002
Pulitore ad ultrasuoniKendalHB-S-49HDT
MicropipettaEppendorf200 µ
biancal

Riferimenti

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