方法論記事

チタンアルコキシドおよび半導体ポリマーに基づいて、完全に印刷可能な有機 - 無機バルクヘテロ接合太陽電池用形態制御

DOI：

10.3791/54923

⸱

2017年1月10日

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

この記事について

サマリー

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電子受容体と電子供与性ポリマーの製造であるTiアルコキシドに基づいて完全に印刷可能な、フラーレンのない、非常に空気中で安定な、バルクヘテロ接合太陽電池のための方法がここに記載されています。また、チタンアルコキシド単位の分子嵩高を通して光活性層の形態を制御するための方法が報告されています。

要約

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典型的な有機薄膜バルクヘテロ接合(BHJ)太陽電池の光活性層は、一般的にフラーレン誘導体を電子受容材料として使用します。ただし、フラーレン誘導体は空気に敏感です。したがって、代替として空気安定性のある材料が必要です。本研究では、フラーレン誘導体の代替電子受容材料としてTi-アルコキシドの性質を提案・記述し、空気安定性の高いBHJ太陽電池を作製する。溶媒法により、フラーレン誘導体を電子受容体として構築される光活性層における形態制御が、高い総合効率を得るために重要であることは周知の事実です。従来の溶剤法は、フラーレン誘導体などの高溶解性材料に有用です。しかし、Ti-アルコキシドについては、特定の溶媒にしか溶解しないため、従来の溶媒法では不十分です。ここでは、従来の溶媒法を使わずにTi-アルコキシドの分子嵩高性を利用した新しい形態制御のアプローチを示します。すなわち、この方法は、高効率で空気安定性のある有機-無機バルク-ヘテロ接合太陽電池を得るための1つのアプローチである。

概要

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有機光起電デバイスは、その低コスト、軽量1-7に有望な再生可能エネルギー源と考えられています。これらの利点から、科学者の多くは、この有望なエリアに浸漬されています。過去10年間で、色素増感、有機薄膜、ペロブスカイト増感型太陽電池は、この領域8における電力変換効率の大幅な進歩を遂げてきました。

具体的には、有機薄膜太陽電池およびBHJ有機薄膜太陽電池技術は、太陽エネルギーを利用するための効率的で費用効果の高い解決策です。また、エネルギー変換効率は、電子受容体（フェニル-C 61 -酪酸-酸メチルエステルのような電子供与体とフラーレン誘導体などの低バンドギャップポリマーを使用して10％以上に達している[60] PCBMまたはフェニル-C 71 -酪酸-酸メチルエステル：[70] PCBM）9-11。また、一部の研究者HAVEは、すでに高い全体的な効率を得るために、低バンドギャップポリマーとフラーレン誘導体で構成されている光活性層にBHJ構造の重要性を報告しました。しかし、フラーレン誘導体は、空気と小文字が区別されます。そのため、空気中で安定な電子受容性材料は、代替として必要です。いくつかの報告は、以前に電子受容体としてのn型半導体ポリマーまたは金属酸化物を用いた有機太陽電池の新しい種類を提案しました。これらのレポートは、空気中で安定な、フラーレンフリー、有機薄膜太陽電池12-15の発展を支持しました。

しかし、電荷分離と電荷転送能力を持つ光活性層にBHJ構造の十分な性能を得る、システムまたはn型半導体ポリマー系をフラーレンとは対照的に、金属酸化物系16-17では困難です。また、フラーレン誘導体及びn型半導体ポリマーは、高い溶解性を有します多くの溶媒インチ従って、光活性層18〜20の前駆体である溶媒としてのインク液を選択することによって、光活性層の形態を制御することが容易です。対照的に、電子供与性ポリマーと組み合わせて使用​​される金属アルコキシド系の場合には、両方の半導体がほとんどすべての溶媒に不溶です。金属アルコキシドを溶媒に高い溶解度を有していないためです。したがって、形態制御のための溶媒の選択は非常に低いです。

この記事では、印刷可能性の高い空気中で安定BHJ太陽電池を製造するために、分子嵩高を使用して光活性層の形態を制御するための方法を報告しています。私たちは、フラーレンフリーBHJ太陽電池の進歩のための形態制御の重要性を説明します。

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プロトコル

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太陽電池製造用の酸化インジウムスズ（ITO）ガラスの調製

  1. ITO /ガラス基板をカットします。
    1. ガラスカッターを使用して、約2cm×2cmの断片にITO /ガラス基板（10cm角）を切断します。
  2. 化学ITO導電層をエッチングします。
    1. デジタルマルチメータを使用して、ITO /ガラス片の上部が導電性の面を持っていることを確認してください。
    2. 中央が2mm×2センチ中央領域を残して、ITO /ガラス片の両面にマスキングテープを配置。マスキングテープを使用して、エッチングからITO導電層の残りの部分を保護します。
    3. ITO /ガラス片の表面からITO導電層を除去するために、ITOの導電層に塩酸（1 M）の数滴を注ぎます。約3分後、綿棒を使用して塩酸を拭き取り、その後、マスキングテープを取り外します。
  3. ITO /ガラス片を前処理。
    1. でITO /ガラス片を置きますガラスケースと水でケースを埋めます。
    2. 水の三分の二がいっぱいです水浴中でガラスケースを配置し、超音波洗浄器を取り付けます。次に、ITO /ガラス片に残った化学エッチング剤のいくつかの痕跡を除去するために約15分間超音波洗浄機をオンにします。 15分ごとに、それぞれ、水、アセトン、イソプロピルアルコールで超音波浴中でこれらを洗浄し、次に乾燥空気流中でそれらを乾燥させます。 42 kHzでの振動周波数で超音波処理を実行します。
    3. 紫外線オゾン（UV-O 3）クリーナー内部のITO /ガラス片を置き、30分間のマシンを実行します。

光活性層のための前駆体溶液の調製

  1. 電子のように、ポリ[2,7-（9,9-ジオクチルフルオレン）-alt-4,7-ビス（チオフェン-2-イル）ベンゾ-2,1,3-チアジアゾール（PFO-DBT）の0.5 mgの溶解ドナーとクロロベンゼンの1ミリリットル中のTi-アルコキシド1.0mgの。電子として以下のTi-アルコキシドを選択アクセプタ：チタン（IV）イソプロポキシド、エトキシド、ブトキシド、およびブトキシドポリマー。そして、基準としてPFO-DBT 0.5mgのクロロベンゼン1mL中[60] PCBMの1.0ミリグラムを溶解します。
    注：21を次のようにここでは、HOMO-LUMOレベルがあります。 PFO-DBT：5.4から3.53 eVで、チタン（IV）イソプロポキシド：7.49から3.86 eVで、エトキシド：7.55から3.90 eVで、ブトキシド：7.53から3.76 eVの、およびブトキシドポリマー：7.57から3.83 eVの。
  2. 700回転の回転速度で攪拌棒を用いてこれを攪拌しながら、磁気ホットスターラー上で、70℃に前駆体溶液を加熱します。解決策は、肉眼で視覚的に透明になるまで、光の不存在下で20分間、これを行います。将来の使用のために、光の非存在下で、再び、溶液を室温まで冷却します。

光活性層の3製作

  1. スピンコーティングによって膜を堆積。
    1. 70°Cに光活性層及びITO /ガラスピースの前駆体溶液を加熱します。 10分間、磁気ホットスターラー上の前駆体溶液を加熱RERは、70℃に加熱し、700回転の回転速度で攪拌棒を使用します。 5分間70℃に加熱し、セラミックホットプレート上でITO /ガラス片を加熱します。
    2. 、スピンコーターの真空ステージの中央にITO /ガラス片を置き、約70℃までヒートガンでそれを加熱し、真空をオンにします。
      注：真空を30 L /分のポンプ速度で真空ポンプを使用して作成されます。真空ポンプの到達圧力は26.6×10 3 Paです。
    3. ITO /ガラス片の上に光活性層の前駆体溶液の数滴を入れ、空気中で60秒間、2,000-6,000 rpmでスピンコーターを開始します。
      注：前駆体溶液の量は、1 mLのspuitで測定し、0.5 mLです。
    4. 光活性層として50nmの厚さのフィルムを得るために、光の非存在下で空気雰囲気下、室温で10分間光活性層の表面を乾燥させます。
  2. 余分な膜を除去。
    1. 余分なPHOTワイプクロロベンゼンで湿らせた綿棒でITO /ガラス片の表面からoactive層。
    2. 光の非存在下で、空気雰囲気下、室温で10分間、再び光活性層を乾燥させます。
      注：我々の実験室の温度は25℃に維持されます。

電極の4.製作

  1. 有機電極を印刷します。
    1. スクリーン印刷機を用いて、光活性層22上に、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）を配置することによって、有機電極を印刷します。メタルマスクは、50μmの厚さであり、印刷面積を20mm×5mmです。
    2. 光の非存在下で、空気雰囲気下、室温で30分間、有機物電極を乾燥させます。

太陽電池用5.ラミネート

  1. ダイヤモンドカッターを用いて、2.5センチメートル×1.5センチに寸法の小片にガラス基板をカットします。スプレッドプラスチック製のスパチュラを用いてガラス基板上にエポキシ樹脂。それを保護するために、光活性層上にエポキシ樹脂とガラス基板を配置します。

太陽電池の性能を測定するための6.準備

  1. アセトンで湿らせた綿棒でそれらを拭いて、電極を清掃してください。超音波はんだ付けシステムを用いて、ITO上に電極支持を取り付けます。 42 kHzの周波数で、かつ230℃で半田ごてを操作します。

太陽電池の性能の7.測定

  1. ソーラーシミュレータは、シリコンフォトダイオードでは100mW / cm 2のシミュレートされたAM1.5Gを提供するように較正して、直流電圧電流源/モニタ統合システムを使用して太陽電池の電流-電圧（J-V）特性を測定します。
    注：JV曲線の測定についての詳細な情報は他の場所で23、24見つけることができます。

8. ANALY相分離構造のSIS

  1. 有機電極なしと積層プロセスなしで、太陽電池の製造のために同じ方法を用いて、チタンアルコキシドとPFO-DBTで構成光活性層の個々のフィルムを準備します。
  2. 相分離構造を分析するために高倍率（50,000倍）での光活性層の形態を観察する光学顕微鏡や走査型電子顕微鏡（SEM）を使用します。
    注：SEMの操作についての詳細な情報は他の場所で25、26見つけることができます。

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結果

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我々は、完全に印刷可能な有機 - 無機BHJ太陽電池だけでなく、相分離構造を制御する方法を製造するためのプロトコルを提示しています。チタン（IV）イソプロポキシドおよびエトキシドが電子受容性材料（ 図1）として使用したときに太陽電池の性能は、広範囲27-31に検討されていますこれらの太陽電池」のTi（IV）ブトキシドポリマー」（ 表1）を使用してデバイスに比べて約8倍高い短絡電流密度（Jsc）を示しました。光活性層中の得られた形態は、光生成と自由キャリアの存在とその輸送には十分でした。すなわち、チタンアルコキシドの嵩高さを選択することにより、キャリア管理構造を制御することが可能です。いくつかの以前の作品はBHJの光活性層にキャリア管理のためのその相分離構造を示していますフラーレン誘導体を用いた太陽電池は、重要な因子である32-34。これはまた、この研究で調べた有機無機系にとって重要です。

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ディスカッション

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この方法では、分子の嵩高さを利用するためには、スピンコート法による成膜条件を知ることが重要です。まず、p型及びn型の半導体は、溶媒中に溶解することができなければなりません。いくつかの材料が残っている場合、それは、光活性層内のドメインの大きなコアになるであろう。個々の溶媒のための適切な市販のフィルターの使用は、残りの材料を除去することをお勧めします。次に、分子が溶解した前駆体溶液が均一かつ均質に約60秒でITO /ガラス基板上に光活性層として印刷されなければなりません。このプロセスは、次の3つの手順で実行されます。まず、前駆体溶液及びITO /ガラス基板は、約70℃の温度に維持されます。次に、基板を速やかにスピンコーターのステージ上にセットされています。最終的に、前駆体溶液の数滴は、すぐに、基板の表面上に注ぎ、広がっています可能な限り、スピンコーターを速やかに開始されます。加熱された基板は、ITO /ガラス基板上に前駆体溶液の温度が急激に低下することを防止します。この方法は、急速な熱変化により前駆体溶液からの抽出物を制御します。加熱された前駆体溶液の効果は、粘度の低下のために、基板上に拡散平滑促進し、均一に平坦な薄膜の形成を促進します。ま...

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開示事項

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著者は、彼らが競合する金融利害関係を持たないことを宣言します。

謝辞

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この作品は、部分的に日本学術振興会科研費助成番号25871029、材料工学のための日本板硝子財団、栃木県産業振興センターによってサポートされていました。また、この記事の出版費用を支援技術総合研究所、大山大学、。

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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
Ti(IV) イソプロポキシド、97%Sigma Aldrich205273
Ti(IV) エトキシドSigma Aldrich244759テクニカルグレード
Ti(IV) ブトキシド、97%Sigma Aldrich244112試薬グレード
Ti(IV) ブトキシドポリマーSigmaAldrich 510718
ポリ [2,7-(9,9-ジオクチルフルオレン)-alt-4,7-ビス(チオフェン-2-イル)ベンゾ-2,1,3-チアジアゾール] (PFO-DBT)Sigma Aldrich754013
[6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester ([60]PCBM) 99.5%Sigma Aldrich684449研究グレード
poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-poly(styrenesulfonate) (PEDOT-PSS)HeraeusClevios S V3
1 N 塩酸和光083-01095
クロロベンゼン99.0%和光032-07986
トン99.5%和光016-00346
酸化インジウムスズ(ITO)被覆ガラス基板マテック0002100回;100倍;1.1t(mm)
ガラス基板波ガラスS721376回;26回;1.2t(mm)
コットンテール 1つとして1-8584-16
エポキシ樹脂ニチバンAR-R30
プラスチックヘラつとして2-3956-02
超音波洗浄機AS482
マグネティックホット  スターラーRHS-1DN
セラミックホットプレートCHP-17DN
スピンコーターとして共鳴研K-359 S1
真空ポンプアルバックDA-30S
UV-O3クリーナーフィルゲンUV253E
スクリーンプリンターミタニ電子MEC-2400
超音波はんだ付け装置黒田テクノサンボンダー USM-5
直流電圧・電流源・モニター一体型システム三栄電動XES-40S1
走査型電子顕微鏡(株) 日本電子JSM-7800
アセジオ松 1

参考文献

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