Articolo metodologico

Ben allineati verticalmente orientato ZnO Nanorod matrici e la loro applicazione in invertito piccola molecola solare celle

DOI:

10.3791/56149

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25 aprile 2018

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Electrical Engineering, National United University, 2Research Center of Applied Science, Academia Sinica, 3Department of Graduate Institute of Photonics and Optoelectronics, National Taiwan University, 4Department of Electronic Engineering, Chung Yuan Christian University

In questo articolo

Sommario

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Questo manoscritto descrive come progettare e fabbricare efficiente SMPV1:PC invertito71BM celle solari con nanorod di ZnO (NRs) coltivato su uno strato di seme di alta qualità Al-drogati ZnO (AZO). Ben allineati verticalmente orientato ZnO NRs espositivo elevate proprietà cristallina. L'efficienza di conversione di potenza delle celle solari possa raggiungere 6,01%.

Abstract

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Questo manoscritto descrive come progettare e fabbricare efficienti celle solari invertite, che sono basate su una molecola piccola coniugata bidimensionale (SMPV1) e [6,6] - fenil - C71-estere metilico di acido butirrico (PC71BM), utilizzando nanorod di ZnO (NRs) coltivato su uno strato di seme di alta qualità Al-drogati ZnO (AZO). Le celle solari di71BM SMPV1:PC invertito con NRs ZnO che è cresciuto su uno strato di seme AZO trasformati sputtered e sol-gel sono fabbricate. Confrontato con il film sottile AZO preparato con il metodo sol-gel, la pellicola sputtered AZO esibisce cristallizzazione migliore e più bassa rugosità superficiale, secondo diffrazione di raggi x (XRD) e misure di forza atomica (AFM) microscopio. L'orientamento della NRs di ZnO cresciuto su uno strato di seme AZO sputtered vede meglio allineamento verticale, che è benefico per la deposizione dello strato attivo successivo, formando morfologie di superficie migliore. Generalmente, la morfologia superficiale dello strato attivo principalmente domina il fattore di riempimento (FF) dei dispositivi. Di conseguenza, la NRs ZnO ben allineati può essere utilizzato per migliorare la raccolta di vettore dello strato attivo e per aumentare la FF delle celle solari. Inoltre, come una struttura anti-riflesso, può essere utilizzato anche per migliorare la raccolta luce del livello di assorbimento, con l'efficienza di conversione di energia (PCE) di celle solari raggiungendo 6,01%, superiore a sol-gel a base di celle solari con un'efficienza di 4,74 %.

Introduzione

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Dispositivi fotovoltaici organici di (OPV) recentemente hanno subito notevoli sviluppi nell'applicazione delle fonti energetiche rinnovabili. Tali dispositivi organici hanno molti vantaggi, tra cui il processo di soluzione di compatibilità, peso leggero, basso costo, flessibilità, ecc.1,2,3,4,5 fino ad ora, celle solari polimeriche (PSC) con un PCE di più del 10% sono state sviluppate utilizzando polimeri coniugati mescolati con PC71BM6. Rispetto agli sportelli unici a base di polimeri, piccola base molecolare OPVs (SM-OPVs) hanno attirato più attenzione quando si tratta di fabbricare OPVs dovuto loro diversi vantaggi distinti, tra cui strutture chimiche ben definite, facile sintesi e purificazione, e generalmente più alta tensione di circuito aperto (Voc)7,8,9. Allo stato attuale, una struttura a 2-D coniugato piccola molecola SMPV1 (2,6-Bis[2,5-bis(3-octylrhodanine)-(3,3-dioctyl-2,2':5,2 '-terthiophene)]-4,8-bis((5-ethylhexyl)thiophen-2-yl)benzo[1,2-b:4,5-b']dithiophene) con BDT-T (benzo [1,2-b:4., 5-b'] bitiofene) come l'unità centrale e da 3-octylrodanine come il fine-gruppo elettron-attrattori10 è stato progettato e utilizzato per miscela con PC71BM per promettente applicazione OPVs sostenibile. Il PCE di celle solari convenzionali piccola molecola (SM-OPVs) basato su SMPV1 mescolato con PC71BM ha raggiunto più di 8,0%10,11.

In passato, gli sportelli unici potrebbero essere migliorati e ottimizzati semplicemente regolando lo spessore dello strato attivo. Tuttavia, a differenza di sportelli unici, SM-OPVs in generale hanno una minore lunghezza di diffusione, che limita notevolmente lo spessore dello strato attivo. Quindi, per aumentare ulteriormente la densità di corrente breve (Jsc) di SM-OPVs, utilizzando il nano-struttura12 o NRs9 per migliorare assorbimento ottico della SM-OPVs è diventato necessario.

Tra questi metodi, la struttura di NRs anti-riflesso è generalmente efficace per la raccolta luce del livello attivo su una vasta gamma di lunghezze d'onda; di conseguenza, saper crescere ben allineati verticalmente orientata ossido di zinco (ZnO) NRs è molto critica. La rugosità superficiale dello strato semi sotto lo strato di ZnO NRs ha una grande influenza sull'orientamento delle matrici NR; Pertanto, al fine di depositare NRs ben orientata, la cristallizzazione del livello seme deve essere precisamente controllata9.

In questo lavoro, le pellicole AZO sono preparate da theRadio-frequenza (RF) tecnica di sputtering. Rispetto ad altre tecniche, RF sputtering è conosciuto per essere una tecnologia efficiente che è trasferibile all'industria per esso è una tecnica di deposizione affidabile, che permette la sintesi di elevata purezza, uniforme, liscia e auto-sostenibile AZO film sottile a crescere su substrati di ampia area. Utilizzante la RF sputtering deposizione favorisce la formazione di pellicole di alta qualità AZO che presentano elevata cristallizzazione con ridotta rugosità della superficie. Quindi, nel livello di crescita successiva, gli orientamenti della NRs sono altamente allineati, ancora più così se paragonato ai film di ZnO preparato con il metodo sol-gel. Utilizzando questa tecnica, il PCE delle celle solari invertito piccola molecola basata sulle matrici di ZnO NR orientate verticalmente ben allineate possa raggiungere 6,01%.

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Protocollo

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1. crescita dello strato di seme Sputtered AZO su substrato di ITO

  1. Stick 4 pezzi di nastro anticorrosivo (0,3 x 1.5 cm) su un lato del substrato Indio ossido di stagno (ITO) a formare un quadrato (1,5 x 1,5 cm). Mettere l'ITO in acido cloridrico per 15 min incidere la superficie esposta di ITO.
  2. Rimuovere il nastro e pulire l'esempio utilizzando un sonicatore; sottoporre ad ultrasuoni con acqua deionizzata (DI), acetone, etanolo e isopropanolo a sua volta per 30 minuti ciascuno. Piega la fantasia ITO con una pistola di azoto compresso.
  3. Allegare i substrati ITO puliti sul supporto del substrato di nastro e caricare il titolare nella camera principale della RF sputtering sistema. Pompa la pressione nella camera di sotto 4 x 10-6 torr tramite la meccanica e pompa di diffusione per garantire la purezza dell'ambiente.
  4. Inserire gas argon puro (portata: 30 sccm) nella camera principale e controllo della pompa per mantenere la pressione della camera alle 1 mtorr.
  5. Preparare gli strati di seme AZO utilizzando la RF sputtering metodo, basato sul metodo segnalati13(13,56 MHz). Utilizzare una dimensione in 2 circolare AZO (2 wt % Al2O3 in ZnO) destinazione in ceramica per depositarle su substrati di vetro ITO pre-puliti. Mantenere la distanza di destinazione al substrato a 10 cm.
  6. Mantenere la pressione di esercizio a 1 mtorr e potenza RF a 40 W durante la deposizione. Controllo della temperatura del substrato a temperatura ambiente. Impostare la polarizzazione di CC applicata e la velocità di deposizione a 187 V e 4 nm/min, rispettivamente a depositare il film sottile AZO. Lo spessore dello strato AZO seme dovrebbe essere controllato a 40 nm basato sul monitor di spessore del cristallo di quarzo.
  7. Dopo che il campione si raffredda fino a 30 ° C nella camera, spegnere la pompa e inserire l'alloggiamento principale gas azoto fino a quando la camera può essere aperta. Rimuovere il campione da titolare del substrato.

2. crescita del Sol-gel elaborati strato di ZnO seme su substrato di ITO

  1. Depositare lo strato di seme di ZnO sul substrato di ITO con motivi con lo spin di sol-gel rivestimento metodo14. La zinco acetato diidrato, 2-methoxethanol e monoetanolamina (MEA) vengono utilizzati come la partenza materiali, solvente e stabilizzatore, rispettivamente.
    1. Sciogliere lo zinco acetato diidrato (4,39 g) in una miscela di 2-methoxethanol (40 mL) e MEA (1,22 g) per ottenere la concentrazione di acetato di zinco di 0,5 M.
    2. Mescolare la miscela risultante a 60 ° C per 2 h. Lasciate la sol riposare per 12 h formare una soluzione omogenea chiara e trasparente.
    3. Depositare lo strato di seme di ZnO su substrati di vetro ITO modellato puliti utilizzando il metodo di rivestimento di spin. Aggiungere 0,1 mL di soluzione sol-gel sul substrato e ruotare a 3.000 giri/min per 30 s utilizzando una macchina a rotazione.
    4. Dopo spin coating, asciugare la pellicola a 200 ° C per 30 minuti su una piastra calda per permettere al solvente di evaporare e rimuovere i residui organici. Lo spessore dello strato ZnO seme dovrebbe essere circa 40 nm14.

3. crescita di ZnO NR matrice su uno strato di seme

  1. Crescere la matrice di ZnO NR utilizzando il metodo idrotermale.
    1. Mix 1.49 g zinco nitrato esaidrato (Zn (NO3)2·6H2O) ed esametilentetrammina 0,7 g (HMT) (C6H12N4) in 100 mL DI acqua. Mescolare la miscela risultante a temperatura ambiente per 30 min.
    2. Collegare il lato ITO dello strato AZO sputtered seme con i campioni di ZnO sol-gel per il vetro di copertura con del nastro. Mettere i campioni in un 50ml tubo conico in polipropilene riempito con 50 mL di soluzione di Zn (NO3)2·6H2O e HMT.
    3. Durante la crescita, riscaldare il tubo conico in polipropilene distesa orizzontalmente in un forno di laboratorio con i campioni di spin rivestito rivolto verso il basso e mantenere la temperatura a 90 ° C per 90 min.
    4. Alla fine del periodo di crescita, è necessario rimuovere i substrati dalla soluzione e sciacquare la superficie del campione con acqua distillata ed etanolo (all'interno di due bottiglie di lavaggio) a sua volta per 1 min ciascuno per rimuovere il sale residuo dalla superficie. Piega l'esempio utilizzando una pistola di azoto compresso e cuocere su un piatto caldo a 250 ° C per 10 min.

4. fabbricazione e misura delle celle solari invertito piccola molecola

  1. Caricare il substrato di ITO con la matrice di ZnO NR una macchina a rotazione nel vano portaoggetti. Mescolare 1 mL di toluene contiene 15 mg di SMPV1 e 11,25 mg di PC71considerando Add 0,1 mL di soluzione, spin il campione a 2.000 giri/min per 40 s utilizzando una macchina a rotazione e ricottura e a 60 ° C per 2 min.
  2. Dopo il processo di ricottura, posizionare il substrato in un sistema di evaporazione termica. La camera a vuoto inizialmente utilizzando una pompa meccanica, fino a quando la pressione raggiunge 4 x 10-2 torr, quindi passa a un turbo pompa per rendere la pressione ambiente < 4 x 10-6 torr.
  3. Deposito il MoO3 strato a una velocità di deposizione di 0.1 nm/s riscaldando MoO3 in polvere in una barca di molibdeno resistivo con un Z-rapporto di 1.0 e una corrente di ingresso di 105 r. deposito l'Ag strato a una velocità di deposizione di 0,5 nm/s di lingotti d'argento di riscaldamento in un resistivo t ungsten barca con un Z-rapporto di 0,529 e una corrente di ingresso di 190 A. Il sistema dovrebbe includere un monitor della frequenza evaporazione cristallo di quarzo per controllare il processo di evaporazione. Lo spessore del MoO3 e strati di Ag deve essere controllato per essere 5 e 150 nm, rispettivamente basato sul monitor di spessore del cristallo di quarzo.
  4. Dopo che il campione si raffredda fino a 30 ° C nella camera, spegnere la pompa e inserire la camera di gas azoto fino a quando la camera può essere aperta. Rimuovere il campione dal titolare del substrato e caricare l'esempio nel vano portaoggetti.
  5. Aprire il sistema del simulatore solare e aspettare 20 min fino a quando la sorgente luminosa del sistema è stabile. Illuminare il campione a 100 mW/cm2 da un simulatore solare utilizzando una massa d'aria 1,5 globale (AM 1.5 g) filtro. Contemporaneamente, è possibile utilizzare l'analizzatore per spazzare il dispositivo da -1 V a + 1 V per ottenere la densità di corrente-tensione (J-V) curva14,15.

5. caratterizzazione tecniche

  1. Eseguire la diffrazione dei raggi x measurment16 con una fonte di Cu Kα per studiare le strutture della NRs ZnO, sullo strato AZO sputtered seme e lo strato di seme di ZnO sol-gel elaborati. La velocità di scansione deve essere 1 ° / min, e l'intervallo di scansione deve essere 10-90 ° (2 θ).
  2. Caratterizzare la morfologia superficiale e l'immagine della sezione trasversale dei campioni mediante emissione di campo scansione microscopia elettronica17 impostando la tensione di funzionamento a 10 kV.
  3. Ottenere il micro fotoluminescenza (PL) spettri di tutti i campioni usando un 325 laser He-Cd CW nm (20 mW) come la sorgente di eccitazione con un 2.400 scanalature/mm grata della retrodiffusione geometria. AllPL misure18 deve essere eseguita a temperatura ambiente.

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Risultati

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La struttura a strati dei dispositivi è costituito da un substrato di ITO/AZO (40 nm) / strato di ZnO NRs, SMPV1:PC71BM (80 nm) / MoO3 (5 nm) /Ag (150 nm) come mostrato nella Figura 1. In generale, il livello di seme AZO o ZnO è ampiamente usato come lo strato di trasporto dell'elettrone (ETL) in dispositivi di sportelli unici. A parte gli sportelli unici, SM-OPVs di solito hanno un livello attivo più breve, limitato da diffusione più br...

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Discussione

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Utilizzando l'intercalare di NRs, sia la Jsc e la FF dei dispositivi può essere migliorata. Tuttavia, la rugosità di superficie di NRs influenzerà anche i processi successivi. Pertanto, l'orientamento e la morfologia superficiale della NRs deve essere manipolati con attenzione. Per lungo tempo, il sol-gel elaborazione ETL come TiO2 e ZnO sono stati comunemente utilizzati in sportelli unici a causa loro procedure semplici. Tuttavia, la cristallizzazione di strati trattati di sol-gel è generalmente di...

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Dichiarazioni

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Gli autori dichiarano di non avere nessun concorrenti interessi finanziari.

Ringraziamenti

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Gli autori vorrei ringraziare il Consiglio scienza nazionale della Cina per il sostegno finanziario di questa ricerca sotto contratto no. La maggior parte 106-2221-E-239-035 e la maggior parte dei 106-2119-M-033-00.

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
Obiettivo AZOUltimate Materials Technology Co., Ltd.nessunoAZO (2% in peso di Al2O3 in ZnO) , 3" ψ x 3mmt
+ 3mmt Cu B/P + Bonding
SMPV1Luminescence Technology Corp.1651168-29-42,6-bis[2,5-bis(3-ottilrodanina)-(3,3-diottil-2,2':5,2''-tertiofene)]-4,8-bis((5-etilesil)tiofene-2-il)benzo[1,2-b:4,5-b']ditiofene
Sistema di sputtering RF KaoDuen Technology Co., Ltdnessunohttp://www.kaoduen.com.tw/index.php?action=product
Acetato di zinco diidratoJ. T. Baker59704564,39 g
MonoetanolamminaJ. T. Baker1414351,22 g
2-metossietanoloSigma-Aldrich10986440 ml di
nitrato di zinco esaidratoJ. T. Baker101961861,49 g
di esametilentetramminaSigma-Aldrich100-97-00,7 g
Ossido di indio e stagno (ITO)RiTdisplaynonrivestito substrati di vetro (< 10 e omega; sq– 1)
AFMVeecoInnova SPM SEM
FEINova 200 NanoSEMtensione di funzionamento: 10 kV
XRDBrukerD8 Diffrattometro a raggi X2θ intervallo: 10– 90 °; Dimensione del passo: 0,008 & gradi
PLHoribaJobin-Yvon HR800sorgente di eccitazione: Laser UV da 325 nm Simulatore solare da 20 mW
Newport91192AAM 1.5G
Analizzatore di parametri a semiconduttore di precisioneKeysight TechnologiesAgilent 4156Csweep da -1 a +1 V
tolueneSigma-Aldrich108-88-31 mL
PC71BMSigma-Aldrich609771-63-311,25 mg
Sistema di evaporazione termicaKao Duen Technology Co., LtdSistema PVD Kao Duenhttp://www.kaoduen.com.tw/index.php?action=product
HClSigma-Aldrich7647-01-0
MoO3Alfa Aesar1313-27-599,50%
lingotto d'argentoADMAT Inc.nessuno100.00%
Controller di deposizione di film sottileNastro anticorrosione INFICONXTC
(film di poliimmide)3M Taiwan Corporationnessunohttp://solutions.3m.com.tw/wps/portal/3M/zh_TW/InsulatingTape/home/product/Polyimide/
spin-coaterChemat Technology, IncKW-4Ahttp://www.chemat.com/chematscientific/KW-4A.aspx

Riferimenti

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