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

この実験の全体的な目標は、形態制御電子受容体としてかさばるチタンアルコキシドを使用して、完全に印刷可能でフラーレンフリーのバルクヘテロ接合太陽電池を製造することです。この方法は、有機-無機ハイブリッドバルクヘテロ接合太陽電池の光活性層の相分離構造の制御に関するバルクヘテロ接合太陽電池分野の重要な質問に答えるのに役立ちます。この手法の主な利点は、従来の溶媒法の溶解度制限なしに、かさばる分子との自己組織化を妨げることにより、相分離構造を制御することです。

この技術の意味は、荷電分離と荷電移動が常に活性層で発生するため、太陽電池の全体的な効率を高めることにまで及びます。したがって、この方法はPFO-DVT電子供与体システムについての洞察を提供することができます。また、P3HTやPTV7などの半導体ポリマーで操作することもできます。

まず、ガラスカッターを使って、厚さ1.1mmのITOガラス基板を2cm×2cm角にカットします。デジタルマルチメータで各正方形の導電面を特定します。各正方形の導電性面を2本のマスキングテープで覆い、中央に2mm×2cmの領域を露出させます。

各正方形の露出した導電性領域に1モルの塩酸を数滴垂らします。正方形を3分間放置して、導電層にストライプをエッチングします。その後、コットンスワップで塩酸を拭き取り、マスキングテープをはがします。

正方形をガラス容器に入れ、容器に脱イオン水を入れます。容器を超音波洗浄機のウォーターバスに入れます。超音波洗浄機を42キロヘルツで15分間運転します。

次に、アセトンとイソプロパノールで正方形をそれぞれ15分間洗浄します。乾燥した空気の流れの下で正方形を乾かします。次に、紫外線オゾンクリーナーで乾燥した正方形を30分間清掃します。

前駆体溶液を調製するには、0.5ミリグラムのPFO-DBTと1.0ミリグラムの選択したチタンアルコキシドを1ミリリットルのクロロベンゼンに溶解します。バイアルをアルミホイルで包んで光を排除します。700RPMで攪拌しながら、前駆体混合物を摂氏70度に加熱します。

その温度で約20分間混合物を攪拌します。溶液が透明に見えるようになったら、室温まで冷まします。0.5ミリグラムのPFO-DBTと1.0ミリグラムの60-PCBMを1ミリリットルのクロロベンゼンに参照標準として溶解します。

参照標準試料を前駆体と同じ条件下で加熱、撹拌、冷却します。スピンコーティングの準備をするには、700 RPMで10分間攪拌しながら、ホットプレート上で前駆体または参照溶液を摂氏70度で予熱します。エッチングされたITOガラス基板の正方形をセラミックホットプレート上で70度で5分間加熱します。

次に、温めたITOガラスの正方形をスピンコーター真空ステージの中央に置きます。この正方形をヒートガンで70度に再加熱してから、真空ポンプをオンにして正方形を所定の位置に固定します。0.5ミリリットルの温かい前駆体または参照溶液を1ミリリットルの注射器に引き込み、すぐに溶液を正方形に置きます。

次に、スピンコーターを 2 、 000 〜 6 、 000 RPM で空中で 60 秒間運転し、厚さ 50 ナノメートルのフィルムを作成します。光が当たらない状態で、表面を室温で10分間乾燥させます。次に、クロロベンゼンで湿らせた綿棒を使用して、余分な光活性物質を取り除きます。

同じ条件で表面を再度乾燥させます。相分離構造を解析するには、ここで調製を停止し、光学顕微鏡または走査型電子顕微鏡を使用して光活性層の画像を取得します。光活性材料を塗布したITOガラスの角型に有機電極を印刷するには、厚さ50μmのメタルマスクを装着したスクリーン印刷機で、正方形の表面に5mm×20mmのPDOT-PSSを印刷します。

電極を室温の空気中で30分間乾燥させます。次に、1.2mm厚のガラス基板を1.5cm×2.5cm×2.5cmのピースをダイヤモンドカッターで切り取ります。プラスチックのヘラでガラス片にエポキシ樹脂を広げます。

ガラスエポキシ面を下にしてサンプルに置き、サンプル表面の片側を露出させます。アセトンと綿棒で支持電極を清掃します。超音波はんだごてを使用して、正方形の残りの露出面に支持電極をはんだ付けします。

セルの電流電圧特性をソーラーシミュレータで測定します。試験する各チタンアルコキシドについて、および参照としてPFO-DBTについて、この手順を繰り返します。有機-無機バルクヘテロ接合太陽電池は、4つの異なるチタンアルコキシドを電子受容体として使用して作製されました。

電流電圧特性は、光活性層の相分離構造の違いに起因するアルコキシド特性の影響を大きく受けました。チタン、4イソプロポキシド、エトキシド、およびブトキシドを使用したセルの短絡電流密度は、ブトキシドポリマーを使用したセルのそれよりもはるかに高かった。光活性層の走査型電子顕微鏡は、チタンの4つのエトキシド細胞とイソプロポキシド細胞の許容可能な相分離構造を示しました。

チタンの4ブトキシドセルは、ブトキシドのかさばりに起因する相分離がやや悪いことを示しました。チタン4ブトキシドポリマーのさらに大きなバルクは、最適な相分離を禁じ、光活性層での電荷生成が不十分でした。開発のたびに、この技術は、有機-無機ハイブリッド太陽電池の分野の研究者が、高効率の光活性層のためのさまざまな材料の組み合わせを探求する道を開きました。