Articolo metodologico

Controllo Morfologia per Bulk-eterogiunzione completamente stampabili celle solari organiche-inorganici a base di un Ti-alcossido e semiconduttore Polymer

DOI:

10.3791/54923

⸱

10 gennaio 2017

 ,  ,  , 
1Department of Mechanical Engineering, National Institute of Technology, Oyama College, 2Ashizawa Finetech Ltd.

In questo articolo

Sommario

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Metodo per completamente stampabili, privo di fullerene, altamente aria-stabile, bulk-eterogiunzione celle solari basate su alcossidi Ti come accettore di elettroni e la fabbricazione del polimero elettron donatore viene qui descritto. Inoltre, viene segnalato un metodo per controllare la morfologia dello strato fotoattivo attraverso l'ingombro molecolare delle unità Ti-alcossido.

Abstract

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Lo strato fotoattivo di una tipica cella solare organica a eterogiunzione di massa a film sottile (BHJ) utilizza comunemente derivati del fullerene come materiale che accetta elettroni. Tuttavia, i derivati del fullerene sono sensibili all'aria; Pertanto, in alternativa è necessario un materiale stabile all'aria. Nel presente studio, proponiamo e descriviamo le proprietà del Ti-alcossido come materiale alternativo che accetta elettroni ai derivati del fullerene per creare celle solari BHJ altamente stabili all'aria. È noto che il controllo della morfologia nello strato fotoattivo, che è costruito con derivati del fullerene come accettore di elettroni, è importante per ottenere un'elevata efficienza complessiva attraverso il metodo del solvente. Il metodo convenzionale a solvente è utile per materiali ad alta solubilità, come i derivati del fullerene. Tuttavia, per i Ti-alcossidi, il metodo convenzionale con solvente è insufficiente, perché si dissolvono solo in solventi specifici. Qui, dimostriamo un nuovo approccio al controllo morfologico che utilizza l'ingombro molecolare dei Ti-alcossidi senza il metodo convenzionale del solvente. Cioè, questo metodo è un approccio per ottenere celle solari ad eterogiunzione di massa organica-inorganica altamente efficienti, stabili all'aria.

Introduzione

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Dispositivi fotovoltaici organici sono considerate fonti di energia rinnovabili promettenti a causa del loro basso costo di produzione e il peso leggero 1-7. A causa di questi vantaggi, un gran numero di scienziati sono stati immersi in questo settore promettente. Negli ultimi dieci anni, dye-sensitized, a film sottile organico, e celle solari sensibilizzate perovskite hanno raggiunto progressi significativi in termini di efficienza di conversione di potenza in questo settore 8.

In particolare, le celle solari a film sottile organico e la tecnologia delle celle solari BHJ organici a film sottile sono soluzioni efficienti ed economiche per l'utilizzo dell'energia solare. Inoltre, l'efficienza di conversione dell'energia ha raggiunto oltre il 10% con l'uso di polimeri a bassa band-gap come i derivati donatori di elettroni e fullerene come accettore di elettroni (Phenyl-C 61 -Butyric-acido-metilestere: [60] PCBM o fenil-C 71 -Butyric-acido-estere metilico: [70] PCBM) 9-11. Inoltre, alcuni ricercatori have già segnalato l'importanza della struttura BHJ nello strato fotoattivo, che è costruito con polimeri a bassa band-gap e derivati ​​fullerene di ottenere una elevata efficienza complessiva. Tuttavia, i derivati ​​fullerene sono sensibili ad aria. Pertanto, un materiale di elettroni accettare aria stabile è richiesto come alternativa. Alcuni rapporti precedentemente suggerito nuovi tipi di celle fotovoltaiche organiche che hanno usato di tipo n polimeri semiconduttori o ossidi metallici come accettori di elettroni. Questi rapporti sostenuto lo sviluppo di liberi-fullerene, organici celle solari a film sottile aria-stabile 12-15.

Tuttavia, a differenza di fullerene sistemi o sistemi polimerici semiconduttore di tipo n, ottenendo prestazioni soddisfacenti della struttura BHJ nello strato fotoattivo, che ha separazione di carica e le capacità di trasferimento di carica, è difficile in sistemi ossido di metallo 16-17. Inoltre, i derivati ​​fullerene e di tipo n polimeri semiconduttori hanno elevata solubilitàin molti solventi. Pertanto, è facile controllare la morfologia dello strato fotoattivo selezionando una soluzione di inchiostro come solvente, che è il precursore dello strato fotoattivo 18-20. Al contrario, nel caso di sistemi di alcossido di metallo utilizzati in combinazione con un polimero elettron-donatore, entrambi semiconduttori sono insolubili in quasi tutti i solventi. Questo perché alcossidi metallici non hanno una elevata solubilità nel solvente. Pertanto, la selettività di solventi per il controllo della morfologia è estremamente bassa.

In questo articolo, riportiamo un metodo per controllare la morfologia dello strato fotoattivo utilizzando ingombro molecolare per fabbricare celle solari stampabili e altamente aria-stabile BHJ. Descriviamo l'importanza del controllo della morfologia per il progresso delle celle solari BHJ priva di fullerene.

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Protocollo

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1. Preparazione di indio-stagno-ossido (ITO) vetro per Cell Fabrication solare

  1. Tagliare il substrato ITO / vetro.
    1. Utilizzando un cutter vetro, tagliare il substrato ITO / vetro (10 × 10 cm) in pezzi misura circa 2 cm × 2 cm.
  2. Chimicamente incidere lo strato conduttivo ITO.
    1. Utilizzando un multimetro digitale, verificare che la parte superiore del pezzo ITO / vetro ha un lato conduttivo.
    2. Posizionare nastro adesivo su entrambi i lati del pezzo ITO / vetro, lasciando una zona centrale di 2 mm × 2 cm al centro. Utilizzando nastro adesivo, proteggere il resto dello strato conduttivo ITO dalla incisione.
    3. Versare alcune gocce di HCl (1 M) sullo strato conduttivo ITO per rimuovere lo strato conduttivo ITO dalla superficie del pezzo ITO / vetro. Dopo circa 3 minuti, pulire il HCl utilizzando un batuffolo di cotone, e quindi rimuovere il nastro adesivo.
  3. Pretrattare il pezzo di ITO / vetro.
    1. Mettere i pezzi di vetro / ITO in unteca di vetro e riempire il caso con l'acqua.
    2. Posizionare la teca di vetro in un bagno di acqua che è due terzi pieno d'acqua e allegare un pulitore ad ultrasuoni. Quindi, accendere il pulitore ad ultrasuoni per circa 15 minuti per rimuovere le poche tracce di mordenzante chimica rimanendo sul pezzo ITO / vetro. Lavare questi pezzi in un bagno ad ultrasuoni con acqua, acetone e alcool isopropilico, rispettivamente, per 15 minuti ciascuno, e poi asciugare in una corrente di aria secca. Eseguire ultrasuoni ad una frequenza di oscillazione di 42 kHz.
    3. Mettere i pezzi ITO / vetro all'interno di un ultravioletta-ozono (UV-O 3) più pulito e correre la macchina per 30 minuti.

2. Preparazione della soluzione precursore per lo strato di Photoactive

  1. Sciogliere 0,5 mg di poli [2,7- (9,9-dioctylfluorene) -ALt-4,7-bis (tiofen-2-il) benzo-2,1,3-tiadiazolo] (PFO-DBT) come un elettrone donatore e 1,0 mg di Ti-alcossido in 1 ml di clorobenzene. Selezionare le seguenti Ti-alcossidi come elettroneaccettori: Ti (IV) isopropossido, etossido, butossido, e butossido polimero. Poi, sciogliere 0,5 mg di PFO-DBT e 1,0 mg di [60] PCBM in 1 mL di clorobenzene come riferimento.
    NOTA: Qui, i livelli HOMO-LUMO sono i seguenti 21. PFO-DBT: 5,4-3,53 eV, Ti (IV) isopropoxide: 7,49-3,86 eV, etossido: 7,55-3,90 eV, butossido: 7,53-3,76 eV, e polimero butossido: 7,57-3,83 eV.
  2. In un agitatore magnetico caldo, riscaldare la soluzione precursore di 70 ° C sotto agitazione con ancoretta ad una velocità di rotazione di 700 rpm. Fare questo per 20 minuti in assenza di luce, fino a quando la soluzione è visivamente evidente ad occhio nudo. Raffreddare la soluzione a temperatura ambiente, sempre in assenza di luce, per un uso futuro.

3. Realizzazione dello strato Photoactive

  1. Depositare il film di spin-coating.
    1. Riscaldare la soluzione precursore dello strato fotoattivo e il pezzo ITO / vetro a 70 ° C. Per 10 minuti, riscaldare la soluzione precursore su un stir calda magneticarer riscaldata a 70 ° C e utilizzare un ancoretta ad una velocità di rotazione di 700 rpm. Riscaldare il pezzo ITO / vetro su una piastra calda di ceramica riscaldata a 70 ° C per 5 min.
    2. Posizionare il pezzo ITO / vetro al centro del palcoscenico vuoto del coater rotazione, riscaldare con una pistola termica a circa 70 ° C, e accendere il vuoto.
      NOTA: Il vuoto viene creato utilizzando una pompa a vuoto con una velocità di pompaggio di 30 L / min. La pressione finale della pompa per vuoto è 26,6 × 10 3 Pa.
    3. Versare alcune gocce di soluzione precursore strato fotoattivo sul pezzo ITO / vetro e avviare il coater centrifuga a 2,000-6,000 rpm per 60 s in aria.
      NOTA: Il volume di soluzione precursore è 0,5 ml, misurati con un spuit 1 mL.
    4. Essiccare la superficie dello strato fotoattivo per 10 min a temperatura ambiente in atmosfera di aria in assenza di luce per ottenere un film di 50 nm di spessore come lo strato fotoattivo.
  2. Rimuovere la pellicola supplementare.
    1. Pulire il phot in piùstrato oactive dalla superficie del pezzo ITO / vetro con un batuffolo di cotone imbevuto di clorobenzene.
    2. Essiccare nuovamente lo strato fotoattivo per 10 min a temperatura ambiente in atmosfera di aria in assenza di luce.
      NOTA: La temperatura della camera esperimento è mantenuta a 25 ° C.

4. Realizzazione dell'elettrodo

  1. Stampa l'elettrodo organico.
    1. L'utilizzo di una stampante schermo, stampare un elettrodo organico mettendo poli (3,4-ethylenedioxythiophene) -poly (styrenesulfonate) (PEDOT-PSS) sullo strato fotoattivo 22. La maschera di metallo è di 50 micron di spessore, e l'area di stampa è di 5 mm × 20 mm.
    2. Essiccare l'elettrodo organico per 30 minuti a temperatura ambiente in atmosfera di aria in assenza di luce.

5. laminazione per le celle solari

  1. Tagliare il substrato di vetro in pezzi con dimensioni di 1,5 cm × 2,5 cm con un tagliatore di diamanti. Diffusioneuna resina epossidica sul substrato di vetro con una spatola di plastica. Posizionare il substrato di vetro con resina epossidica sullo strato fotoattivo per proteggerlo.

6. Preparazione per misurare le prestazioni a cellule solari

  1. Pulire gli elettrodi pulendo con un batuffolo di cotone imbevuto di acetone. Attaccare un elettrodo di supporto sul ITO utilizzando un sistema di saldatura ad ultrasuoni. Azionare il saldatore ad una frequenza di 42 kHz e 230 ° C.

7. Misura della Performance Solar-cell

  1. Misurare le caratteristiche corrente-tensione (JV) delle celle solari utilizzando un sistema integrato di monitoraggio a corrente tensione corrente source /, con il simulatore solare calibrato per fornire un AM1.5G simulato di 100 mW / cm 2 dal fotodiodo al silicio.
    NOTA: Per informazioni più dettagliate sulla misura delle curve JV può essere trovato altrove 23, 24.

8. Analysis della struttura Phase-separazione

  1. Preparare singoli film di strati fotoattivi costruiti con Ti-alcossido e PFO-DBT, utilizzando lo stesso metodo per la fabbricazione di celle solari, senza l'elettrodo organica e senza il processo di laminazione.
  2. Utilizzare un microscopio ottico o un microscopio elettronico a scansione (SEM) per osservare la morfologia dello strato fotoattivo ad elevato ingrandimento (50.000 ×) al fine di analizzare la struttura separatore di fasi.
    NOTA: Per informazioni più dettagliate sul funzionamento SEM può essere trovato altrove 25, 26.

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Risultati

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Abbiamo presentato un protocollo per la fabbricazione di cellule completamente stampabili organici-inorganici BHJ solari, nonché un metodo per controllare la struttura separatore di fasi. Le prestazioni di celle solari è stato ampiamente studiato 27-31 quando (IV) isopropossido e etossido stati usati Ti come elettron-accettando materiali (Figura 1). Queste celle solari esibito un cortocircuito densità di corrente (Jsc) che è circa otto volte superiore a quella...

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Discussione

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Al fine di utilizzare ingombro della molecola in questo metodo, è importante conoscere le condizioni per la formazione di film di spin coating. Innanzitutto, i p-type e n-semiconduttori di tipo devono poter essere sciolto in solventi. Quando alcuni materiale rimane, diventerà il grande nucleo dei domini nello strato fotoattivo. L'uso di un filtro commerciale adeguata per singoli solventi si raccomanda di rimuovere il materiale rimanente. Successivamente, la soluzione precursore in cui le molecole si dissolvono deve ...

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Dichiarazioni

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Gli autori dichiarano di non avere interessi finanziari concorrenti.

Ringraziamenti

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Questo lavoro è stato parzialmente supportato dal JSPS KAKENHI di Grant numero 25.871.029, la Nippon Sheet Glass Fondazione per la Scienza dei Materiali e Ingegneria, e la Tochigi Industrial Promotion Center. Il National Institute of Technology, Oyama College, anche aiutato con le spese per la pubblicazione di questo articolo.

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
Isopropossido di Ti(IV), 97%Sigma Aldrich205273
Ti(IV) etossidoSigma Aldrich244759
IV) butossido di grado tecnico, 97%Sigma Aldrich244112Reagente grado
Ti(IV) butossido polimeroSigma Aldrich510718
Poli[2,7-(9,9-diottilfluorene)-alt-4,7-bis(tiofene-2-il)benzo-2,1,3- tiadiazolo] (PFO-DBT)Sigma Aldrich754013
[6,6]-fenil-C61-butirrico estere metilico ([60]PCBM) 99,5%Sigma Aldrich684449
Poli(3,4-etilendiossitiofene)-poli(stirenesulfonato) (PEDOT-PSS)HeraeusClevios S V3
1 N Acido cloridricoWako083-01095
Clorobenzene 99,0%Wako032-07986
Acetone 99,5%Wako016-00346
Substrato di vetro rivestito di ossido di indio-stagno (ITO)Geomatec0002100× 100&volte; 1.1t (mm)
Substrato di vetroMatsunami GlassS721376&volte; 26&volte; 1,2 t (mm)
Coda di cotone Come uno1-8584-16
Resina epossidicaNichibanAR-R30
Spatoladi plastica Come uno2-3956-02
Pulitore ad ultrasuoniCome unAS482
Agitatore magnetico a caldoCome unoRHS-1DN
Piastra riscaldante in ceramicaCome unoCHP-17DN
Spin coaterKyowarikenK-359 S1
Pompa per vuotoULVACDA-30S
UV-O3 pulitoreFilgenUV253E
Stampante serigraficaMitani ElectronicsMEC-2400
Sistema di saldatura a ultrasuoniKurodaTechno SUNBONDER USM-5
Tensione/monitor di corrente continua e corrente integrati sistemaSan-Ei ElectricXES-40S1
Microscopio elettronico a scansioneJEOL Ltd.JSM-7800
Ti(

Riferimenti

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
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