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方法論記事

タンデム有機太陽電池におけるイオン的ゲーテッドカーボンナノチューブ共通カソードの生産のための周囲の方法

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DOI：

10.3791/52380

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2014年11月5日

 ,  ,  ,  , 
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

この記事について

サマリー

有機太陽電池タンデムデバイスを周囲条件で並列に製造する方法が提示されています。これらのデバイスは、空気処理された半透明のカーボンナノチューブ共通カソードを特長としています。

要約

真空処理を必要としない有機太陽電池(OPV)タンデムを製造する方法が提示されています。これらのデバイスは、透明なカーボンナノチューブ(CNT)中間層によって並列に接続された2つの溶液処理された高分子セルで構成されています。この構造には、タンデムOPVデバイスの作製技術の改善が含まれています。まず、アンビエント処理されたカソードの必要性が考慮されます。タンデムデバイスのCNTアノードは、イオンゲートを介して調整され、共通のカソードになります。イオンゲートは、CNT電極の仕事関数を下げるために電気二重層充電を採用しています。次に、ソリューション処理によってタンデム層を逐次的に積み重ねることの難しさに対処します。これらのデバイスは、溶液とドライラミネートによって、周囲条件で並列処理ステップで製造されます。個々の高分子セルを作製する方法、それらを共通のCNTカソードと共に積層するために必要なステップ、そしてその後、いくつかの代表的な結果を提供する手順が説明される。これらの結果は、CNT電極のイオンゲーティングによる共通のカソードの生成と、ラミネート手順の結果としての電流と効率の追加を示しています。

概要

ポリマー半導体は、高い吸収性、優れた輸送特性、柔軟性、および温度感受性基材との相溶性に主要な有機光起電（OPV）材料である。 OPVデバイスの電力変換効率、η、それらますます実行可能なエネルギー技術作り、9.1％1という高い単一細胞効率で、過去数年間で大幅に跳ね上がっている。

ηの向上にもかかわらず、デバイスの薄最適な活性層の厚さは、光の吸収を制限し、信頼性のある製造を妨げる。さらに、各ポリマーの光吸収のスペクトル幅は、無機材料と比較して制限される。分光感度の異なるペアリングポリマーは、タンデム·アーキテクチャ2必要な技術革新を作り、これらの問題を回避します。

直列タンデムデバイスでは、最も一般的なタンデム·アーキテクチャである。この設計では、電子輸送materiら、任意の金属結合層、及び正孔輸送層は、サブセルと呼ばれる二つの独立した光活性層を接続する。直列構成でサブセルをリ​​ンクする結合装置の開回路電圧を増加させる。いくつかのグループは、縮退ドープ輸送層3との成功があった-図5は 、より多くのグループが、層間6,7で正孔と電子の再結合を支援するために、金または銀の粒子を使用した。

対照的に、並列タンデムの2つの活性層を接合する導電性の高い電極、陽極または陰極のいずれかを必要とする。中間層は、金属粒子を含有する連タンデム中間層を制限し、さらにより薄いので、連続的な金属電極の並列タンデム中間ため、これは非常に透明でなければならない。カーボンナノチューブ（CNT）シートは、金属層よりも高い透明性を示す。ナノテク研究所ので、島根大学と共同で、int型を持つモノリシック、パラレルタンデムデバイス8における層間電極として使用することの概念をroduced。

以前の努力は、層間陽極8,9として機能CNTシートを備えたモノリシック、パラレル、タンデムOPVデバイスを特色にした。これらのメソッドは、後に層を堆積する際に、一方または両方の細胞または損傷前の層の短絡を避けるために特別な注意が必要です。この論文で説明されている新しいメソッドは、2つの単電池のポリマー活性層の上にCNT電極を配置することにより、製造を容易にし、 図1に示すように、その後、2つの別々のデバイスを積層する。この方法は、空気を含む、デバイスとして注目に値する-stable CNTカソードを、唯一の乾燥および溶液処理を用いた周囲条件下で完全に作製することができる。

これらは光活性領域からの電子を収集するために、仕事関数を減少させるためにn型ドーピングを必要とするCNTシートは、本質的に良好なカソードはない太陽電池10の。 14 -などのイオン性液体として電解液中に充電電気二重層は、CNT電極の仕事関数11をシフトするために使用することができる。

先行する用紙15に記載され、 図2に示すように、ゲート電圧（V ゲート ） が増加するとき、CNT共通電極の仕事関数は、電極の非対称性を生成する、減少する。これは、OPVのアクセプターから電子を集めるの賛成でOPVのドナーからの正孔のコレクションを防ぎ、およびデバイスは、フォトダイオード15の行動に非効率的なフォトレジスタから変える、ONにしてください。また、エネルギーは、太陽電池15の発電電力に自明と比較されているデバイスと、ゲートリーク電流に起因して失われた電力を充電するために使用されることに留意すべきである。 CNT電極のイオンゲーティング状態の低密度および高による仕事関数に大きな影響を与えるCNT電極における体積に対する表面積の比。類似の方法は、n-Siを16とCNTの界面でショットキー障壁を強化するために使用されている。

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プロトコル

1.インジウムスズ酸化物（ITO）のパターニングとクリーニング

注：使用15Ω/□のITOガラス、スピンコートし、フォトリソグラフィーに適し大きさにITOガラスを購入するか、カット。これは、できるだけ大きなガラス片に、手順1.1から1.7までを実行し、より小型のデバイスにそれを切断することが最も効率的である。また、それは1.1から1.7までは、ITO側を上にして配向させるためのITOガラスを必要とするステップに注意してください。これはマルチメータの抵抗設定で容易に確認することができる。

  1. 1分間の3,000rpmでの速度でITOガラスのITO側へS1813ポジ型フォトレジストのスピンコートを1ml。ガラスの大きなピース用のレジストより使用全体ガラスがコーティングされていることを確認し、スピンコーターを開始する前に気泡を除去。
  2. 1分間115℃でホットプレート上で、コーティングされたガラスレジストアニールする。
  3. サンプルおよびコンタクトアライナーの上にフォトマスクをロードします。
  4. アプロ用のフォトレジストコーティングされたITOガラスを公開priate時間。露光時間は約10秒であるが、UVランプ強度、レジストの種類、厚さに基づいて、この時間を変化させる。
  5. MF311現像液中の紫外線露光した基板を開発する。スピンプロセッサの自動化されたプロセスは、最良かつ最も再現性のある結果が生成されますが、続くように開発が手動で行うことができます。
    1. 現像液中​​で1分間UV-露光した基板を浸し、脱イオン（DI）水中でリンスし、窒素ガンで乾燥した。開発者が迅速に強度を失うので、サンプル間の現像液を交換する、または開発を再利用する際に、代替的開発時間を増やす。
  6. 濃塩酸（HCl）の中にITO基板をエッチングする。これは、HClの濃度に応じて5〜10分かかります。 、DI水中ですすぎ、乾燥、およびマルチメータとのエッチングされた部分の抵抗率をテストします。どの導電性が残っている場合は、より長い時間エッチ。
  7. エッチングが完了すると、ページを削除するアセトンでhotoresist。フォトレジストの迅速な除去はオーバーエッチングパターン化されたITOから残留塩酸を妨げることに注意してください。
  8. 必要に応じて、デバイスのサイズにエッチングされたITOガラス基板を切断する。
  9. DI水、アセトン、トルエン、メタノール、そして最後にイソプロピルアルコール - 溶剤の順序で入浴超音波処理装置におけるITO基板を清掃してください。

2. OPVサブセルの作製

  1. PC 61 BMソリューション：P3HTを準備します。
    注：最も一貫した結果を得るには、窒素環境でのソリューションを準備します。これは、周囲条件で、この手順に従うことが可能である。
    1. 見つけて、2クリーン、〜4ミリリットルのガラスバイアルとそのキャップの質量を書き留め、別からそれらを区別するために油性マジックでそれらをマークします。
    2. 窒素またはアルゴングローブボックス中で一のバイアル及びフェニルC 61 -酪酸メチルエステル（P約10mgのポリ（3-ヘキシルチオフェン-2,5-ジイル）（P3HT）の約10mgの転送他に、C 61 BM）。
    3. P3HTとPC 61 BMの質量を見つけるために、再度バイアルを計量。
    4. ソリューション製造プロセスの残りのためのグローブボックスにP3HTとPC 61 BMとのバイアルを転送します。
    5. 各バイアルに磁気攪拌棒を追加し、45 mg / mlのソリューションを作成するためにそれぞれに十分なクロロベンゼンを追加します。
    6. 約2時間、または溶質が完全に溶解するまで55℃で磁気撹拌しながらホットプレート上でソリューションを置きます。
    7. 一緒にP3HTとPC 61 BMソリューションを等量混合し、使用前にさらに1時間混合溶液を攪拌してみましょう。
  2. PC 71 BMソリューション：PTB7を準備します。
    1. 繰り返しますと2.1.4に2.1.1ステップ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）及びフェニル- 7,1 -酪酸メチルエステル（PC 71 BM）の代わりにP3HTとPCの61 BM。
    2. クロロベンゼン中のボリューム1,8- diiodooctane（DIO）により、3％の混合物を作る。このミックスはDIO-CBと呼ばれている。
    3. 40 mg / mlの溶液を持っているPC 71 BMバイアルに12 mg / mlの溶液と十分にDIO-CBを持つようにPTB7バイアルに十分DIO-CBを追加し、各バイアルに磁気撹拌棒を加え、。
    4. これらの溶液は二日間70℃でホットプレート上で撹拌してみよう。
    5. 1.5へのPC 71 1のBMへPTB7の重量比で溶液を混合。
    6. 70℃でさらに1時間混合溶液を攪拌は、使用前にしよう。
  3. フィルタポリ（3,4-エチレンジオキシチオフェン）：ポリ（スチレンスルホン酸）（PEDOT：PSS）を0.45μm孔径のナイロンフィルターを通して。この手順は、P VP AI4083を使用しています注意してください。
  4. スピンコート活性層。
    1. 5分間UVオゾンクリーナーに、洗浄したITO基板、ITO側を上にして置きます。
    2. スピンコートフィルターPEDOT120μlの：PSSを扱わUV-オゾン上に、ITO-ガラス基板をパターニングし1分間3,000 rpmでの。これは30nmの厚さの層が得られるはずです。
    3. PEDOTをアニール：180℃で5分間PSSコーティングされたITO基板を。
    4. PEDOT上にPC 61 BMソリューション：混合P3HTの70μlのコートをスピンコーティングされたPSS ITO基板1分間約1,000 rpmで。厚さ200nmの活性層を堆積させるために、必要に応じて速度を変化させる。
    5. P3HTをアニール：PC 61 BMがコーティングされた基材を170℃で5分間。結果は、最適なアニーリング温度により異なる可能性があります。
    6. 混合PTB7の70μlのコートをスピン：PEDOT上にPC 71 BMソリューション：PSSコーティングされたITO基板1分間約700rpmで。厚さ100nmの活性層を堆積させるために、必要に応じて速度を変化させる。
    7. 残留DIOを除去するために高真空（<×10 2 -6トル）チャンバー内に、PC 71 BMコーティングされた基材：PTB7をロードします。典型的には、チャンバのO / Nの中のサンプルを残す。

3.タンデムデバイスを製造

<オール>
  • ラミネートCNT電極。
    1. タンデムデバイスを作るために半分にPTB7とP3HTの基板をカットします。専門的なITOパターンは、このステップを必要としない。 ITOパターンは、少なくとも二つの平行ITOが離れて、​​他から1ミリメートルに一方の縁から延びる電極が必要です。
    2. 第一のガラスの縁部からポリマー及びPEDOTを拭き取ることによってPTB7およびP3HTコーティングされた基材を準備し、 図1の第1のパネルに見られるように、共通電極として使用されるITOストリップを露光する。
    3. PTB7とP3HTの電極の上にCNTの共通電極を積層。デバイス上のろ紙のCNT側に配置軽く押し、その後離れてろ紙を剥離することによりSWCNT膜を適用する。これは、 図1の第2のパネルに示されている。
    4. メトキシ-ノナフルオロブタン（C 4 F 9 OCH 3）（HFE）を適用することによって、小さな天羽にCNTを被覆することによって表面上にCNT電極を高密度化液体のNTと、それはオフに乾燥させる。
    5. 図1の第3のパネルに示すように、ゲート電極を持つことになります、ITOの上部とガラス上のポリマーとCNTを拭き取る。カミソリの刃でゲートリークを防止するために、ガラスからの全てのポリマーを削除します。
    6. PTB7とP3HTコーティングされた基材の清掃領域にCNTゲート電極を積層。かみそりの刃でMWCNTの森の端から引いてMWCNTを積層し、シートは、いくつかのキャピラリーチューブの間を自由に放置。デバイス上にCNTを積層する自立型シートを介してデバイスを渡します。共通電極上に置かように、ゲート電極は、層の2〜3倍の数を持っている必要があります。
    7. HFEゲート電極を高密度化。
  • 1のCNT電極の両方の上に、（2-メトキシエチル）アンモニウムテトラフルオロボDEME-BF 4 -イオン液体の小滴（≈10μl）を置き、N、N- -Diethyl- Nは、Nをメチル-基質の。
  • 慎重に各-互いの上に共通電極およびゲート電極とイオン液体との基板の上にイオン液体ずに基板を配置します。これは、 図1の最後のパネルに示されている。
  • アクティブ領域上の電極サイズよりも小さい開口サイズを持つフォトマスクを配置します。所定の位置にマスクを保持するだけでなく、テスト中に一緒にデバイスを保持するために、小さなクリップを使用する。

    • 4. [デバイスを測定します

    1. 測定グローブボックスにデバイスを移す。
    2. 電気的な接続を行います。
      1. 共通電極とグランドなどの共通ゲート電極との間にゲート電源を接続します。
      2. 陽極または両方の陽極のどちらかの選択を可能にするスイッチに接続されたワイヤに2枚のITOアノードを接続します。
      3. ソースメジャーユニットの入力にスイッチの出力に接続します。
      4. ソースMEAのグランドを接続共通電極UREユニット。
    3. V ゲート昇順ための次のステップを繰り返すことで、デバイスのI-V特性を測定します。
      1. = 0 V V ゲートから0.25 Vの刻みで= 2 V V ゲートに始まり、次の値にV ゲートを設定
      2. ゲート電流が安定するまで5分待つか。理想的には、ゲート電流はナノアンペアの10sのまわり安定させる必要があります。
      3. 両方のサブ·セルにスイッチを設定してください。
      4. ランプのシャッターを開きます。
      5. 約100の増分以上に1ボルトに-1ボルトからソースメジャーユニットの電圧スイープを実行します。
      6. -1ボルトに1ボルトの電圧スイープを実行します。
      7. ランプのシャッターを閉じます。
      8. 再び電圧スイープを実行します。
      9. フロントサブセルにスイッチを設定してください。
      10. 繰り返して4.3.8に4.3.4を繰り返します。
      11. バックサブセルにスイッチを設定します。
      12. 繰り返して4.3.8に4.3.4を繰り返します。
    4. デバイスパラメータを計算します。 <オール>
    5. サブセルの両端の電圧が0Vであるとき、デバイスによって生成される電流を求めることによって、各V ゲートにおける各サブセルの短絡電流（J SC）を見つける
    6. サブセルを流れる電流が0Aであるときに、デバイスによって生成される電圧を求めることにより、各V ゲートにおける各サブセルの開回路電圧（V OC）を見つける
    7. 各電流値で、各電圧値を乗算し、最大（最も負）の値を選択することにより、太陽電池から最大電力出力を検索します。これは1つが、光生成電流と負の電流を測定することを前提としています。
    8. 入力光パワー、最大パワーを分割することにより電力変換効率（η）を見つける。
    9. J SCとV OCの積で最大電力で除して充填率（FF）を見つける。

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    結果

    これらのデバイスは、光の最大のスペクトル範囲を吸収することができるように、異なるポリマーから形成されたタンデム型デバイス、著しくバンドギャップの異なるポリマーは、特に、実用的に重要である。このデバイス構造では、PTB7サブセルがバック細胞であり、P3HTは、フロントサブセルである。これは、P3HTサブセルがPTB7サブセルによって吸収されるより長い波長の光に対して主に透過性であるように、光の最大量を吸収することを意図している。明確にするために、太陽電池のパラメータ、V OCは、J SCは 、FFのために、それぞれ直列、前面または背面の細胞に言及する場合、ηは、上付き文字T、F、またはBで装飾される。 表1は、これらの略称を示す。

    デバイスの現在の電圧曲線の選択は、 図3に示され、 図4の太陽電池のパラメータを抽出する。これは、PTB7サブセルことが観察される（裏）はP3HTサブセル（前面）よりも...

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    ディスカッション

    パラレルタンデム太陽電池を設計するときの結果は、いくつかの考慮事項を強調表示します。注目すべきことに、サブセルの場合つは、不十分にマイナス影響を受けたタンデム性能を行っている。結果は、2つの主要な効果があることを示している。一つのサブセルが短絡すると、 例えば 、ミック挙動を示し、FF Tが悪いサブセルのFFよりも高くないであろう。 J T SC と V Tは OCも同様に影響を受けることになります。 V ゲートが低く、P3HTサブセルがONになっていない場合である。

    一つのサブセルが良好なダイオード特性が、低いV OCまたはJ SCを持っている場合、逆に、次にJ T SCは、ほぼJ Fの SCおよびJ B SC

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    開示事項

    著者らは開示するものは何もない。

    謝辞

    >jove_content<この作業に対する支援は、DOE STTRのDE-SC0003664「カーボンナノチューブシート中間膜を用いた並列タンデム有機太陽電池」およびウェルチ財団の助成金AT-1617によって提供されました。著者らは、CNTフォレストを提供してくれたJ.Bykovaに感謝し、技術支援と有益な議論を提供してくれたA.R.ハワード、K.メイルツァレク、J.ヴェルテン

    に感謝します。

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    材料

    この記事で使用された材料の一覧
    名前会社カタログ番号コメント
    ポリ(3,4-エチレンジオキシチオフェン):p-(スチレンスルホン酸)ヘレウスクレビオスPVP AI 4083
    (3-ヘキシルチオフェン-2,5-ジイル) Rieke Metals  Inc. (リーケ・メタルズ)P3HT: P200
    フェニル-C<サブ>61-酪酸メチル  エステル1- 材料PC61BM
    ポリ({4,8-ビス[(2-エチルヘキシル)オキシ]ベンゾ[1,2-b:4,5-b′]ジチオフェン-2,6-ジイル}{3-フルオロ-2-[(2-エチルヘキシル)カルボニル]チエノ[3,4-b]チオフェネジイル}) 1- 材料PTB7
    ニル-C<サブ>61-酪酸メチル エステルソレンPC71BM
    1,8-ジヨードオクタングマアルドリッチ250295
    クロロベンゼンシグマアルドリッチ284513
    酸化インジウムスズコーティングガラス15オーム/ SQラムテック
    S1813UTDクリーンルーム
    MF311UTDのクリーンルーム
    HClUTDの
    クリーンルームのアセトンのフィッシャーの科学的なA18-20
    トルエンのフィッシャーの科学的なT323-20
    メタノールBDHBDH1135-19L
    のイソプロパノールのフィッシャーの科学的なA416-20
    CEEスピンコーターブリューワーサイエンティフィックhttp://www.utdallas.edu/research/cleanroom/tools/CEESpinCoater.htm
    コンタクトプリンタークインテルQ4000-6http://www.utdallas.edu/research/cleanroom/QuintelPrinter.htm
    CPKスピンプロセッサーhttp://www.utdallas.edu/research/cleanroom/tools/CPKsolvent.htm
    スピンコーターローレルWS-400-6NPP / LITE
    [header]
    グローブボックスM-BraunLab Master 130
    ソーラーシミュレータThermo Oriel/Newport
    Keithley 2400 SMUKeithley/Techtronix2400
    Keithley 7002 マルチプレクサKeithley/Techtronix7002
    超音波洗浄機KendalHB-S-49HDT
    マイクロピペットEppendorf200 µL
    ポリフェシ

    参考文献

    1. He, Z., Zhong, C., Su, S., Xu, M., Wu, H., Cao, Y. Enhanced power-conversion efficiency in polymer solar cells using an inverted device structure. Nature Photonics. 6, 591-595 (2012).
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