Methodenartikel

Morfologie Control for Volledig Printable organisch-anorganische bulk-heterojunctie zonnecellen op basis van een Ti-alkoxide en halfgeleidende polymeer

DOI:

10.3791/54923

⸱

10 januari 2017

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

In dit artikel

Samenvatting

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

Een methode voor het volledig gedrukt te worden, fullereen-vrij, zeer lucht-stabiele, bulk-heterojunctie zonnecellen op basis van Ti alkoxiden als het elektron acceptor en het elektronen donerende polymeer fabricage wordt hier beschreven. Bovendien wordt een werkwijze voor het regelen van de morfologie van de fotoactieve laag door de moleculaire grote omvang van de Ti-alkoxide eenheden gerapporteerd.

Samenvatting

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

De fotoactieve laag van een typische organische dunne-film bulk-heterojunction (BHJ) zonnecel gebruikt vaak fullereenderivaten als het elektronenaccepterende materiaal. Fullereenderivaten zijn echter gevoelig voor lucht; daarom is er luchtbestendig materiaal nodig als alternatief. In de huidige studie stellen we Ti-alkoxide voor en beschrijven we de eigenschappen ervan als een alternatief elektronenaccepterend materiaal voor fullereenderivaten om zeer luchtbestendige BHJ-zonnecellen te creëren. Het is algemeen bekend dat het controleren van de morfologie in de fotoactieve laag, die is opgebouwd met fullereenderivaten als elektronenacceptor, belangrijk is voor het verkrijgen van een hoge algehele efficiëntie via de oplosmiddelmethode. De conventionele oplosmiddelmethode is nuttig voor materialen met een hoge oplosbaarheid, zoals fullereenderivaten. Voor Ti-alkoxiden is de conventionele oplosmiddelmethode echter onvoldoende, omdat ze alleen oplossen in specifieke oplosmiddelen. Hier demonstreren we een nieuwe aanpak voor morfologiecontrole die gebruikmaakt van de moleculaire omvang van Ti-alkoxiden zonder de conventionele oplosmiddelmethode. Dat wil zeggen, deze methode is een benadering om zeer efficiënte, luchtbestendige, organisch-inorganische bulk-heterojunction zonnecellen te verkrijgen.

Inleiding

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

Organische fotovoltaïsche apparaten worden beschouwd als veelbelovende hernieuwbare energiebronnen vanwege hun lage productiekosten en het lichte gewicht 1-7. Vanwege deze voordelen, heeft een groot aantal onderzoekers ondergaan waarbij deze veelbelovende. In het afgelopen decennium, kleurstof, organische dunne-film, en perovskiet zonnecellen hebben aanzienlijke vooruitgang in de macht omzettingsrendement bereikt op dit gebied 8.

In het bijzonder, organische dunne-film zonnecellen en BHJ organische dunne-film zonneceltechnologie zijn efficiënte en kosteneffectieve oplossingen voor het gebruik van zonne-energie. Bovendien heeft de energieomzetting bereikt dan 10% bij gebruik van lage-band-gap polymeren als de elektronendonor en fullereenderivaten als elektronenacceptor (Fenyl-C 61 boterzuur-zuur-methylester: [60] of PCBM fenyl-C 71 boterzuur-Acid-Methyl Ester: [70] PCBM) 9-11. Bovendien hebben sommige onderzoekers have reeds gemeld hoe belangrijk het BHJ structuur in de fotoactieve laag, die is gebouwd met een lage bandgap-polymeren en fullereenderivaten een hoog totaal rendement te verkrijgen. Echter, fullereenderivaten zijn lucht-gevoelig. Daarom is een lucht-stabiele elektronen-aannemende materiaal vereist als alternatief. Een paar rapporten eerder gesuggereerd nieuwe soorten organische fotovoltaïsche cellen die n-type halfgeleidende polymeren of metaaloxiden gebruikt als elektronen acceptoren. Deze rapporten ondersteunden de ontwikkeling van lucht-stabiele, fullereen-free, organische dunne-film zonnecellen 12-15.

In tegenstelling tot systemen of n-type halfgeleidend polymeersystemen fullereen, het verkrijgen van een goede uitvoering van de BHJ structuur in de fotoactieve laag, die ladingsscheiding en ladingsoverdracht capaciteiten heeft, is moeilijk metaaloxide systemen 16-17. Verder fullereenderivaten en n-type geleidende polymeren hebben een hoge oplosbaarheidin vele oplosmiddelen. Daarom is het gemakkelijk om de morfologie van de fotoactieve laag controleren door het selecteren van een inktoplossing als oplosmiddel, dat de voorloper van de fotoactieve laag 18-20. Daarentegen, in het geval van metaal alkoxide die worden gebruikt in combinatie met een elektronendonerende polymeer, beide halfgeleiders onoplosbaar in bijna alle oplosmiddelen. Dit komt omdat alkoxiden geen hoge oplosbaarheid in het oplosmiddel heeft. Daarom is de selectiviteit van oplosmiddelen voor morfologie controle extreem laag.

In dit artikel beschrijven we een methode voor het regelen van de morfologie van de foto-actieve laag met behulp van moleculaire lijvige om afdrukbare en zeer air-stabiele BHJ zonnecellen te fabriceren. We beschrijven het belang van de morfologie controle voor de voortgang van fullereen-vrije BHJ zonnecellen.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

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

1. Bereiding van indium-tin-oxide (ITO) glas voor Solar Cell Fabrication

  1. Snijd de ITO / glassubstraat.
    1. Met behulp van een glassnijder, knip de ITO / glazen substraat (10 cm x 10 cm) in stukjes van circa 2 cm x 2 cm.
  2. Chemisch etsen de geleidende ITO-laag.
    1. Met behulp van een digitale multimeter, controleer dan of de bovenkant van de ITO / glas stuk heeft een geleidende kant.
    2. Breng afplakband aan beide zijden van de ITO / glas stuk, waardoor een centraal gebied van 2 mm x 2 cm in het midden. Gebruik plakband, beschermen de rest van de ITO geleidende laag van het etsen.
    3. Giet een paar druppels HCl (1 M) op de ITO geleidende laag op de ITO geleidende laag van het oppervlak van de ITO / glas stuk verwijderen. Na ongeveer 3 minuten, veeg het HCl met behulp van een wattenstaafje, en verwijder vervolgens de afplakband.
  3. Voorbehandelen van de ITO / glas stuk.
    1. Plaats de ITO / stukjes glas in eenglazen kast en vul het geval met water.
    2. Plaats de glazen kast in een waterbad dat is tweederde vol met water en voeg een ultrasone reiniger. Schakel vervolgens de ultrasone reiniger voor ongeveer 15 minuten naar het weinig sporen van de nog op de ITO / stuk glas chemische etsmiddel te verwijderen. Was deze stukken in een ultrasoon bad met water, aceton en isopropylalcohol, respectievelijk voor 15 minuten elk, en vervolgens drogen in een stroom droge lucht. Voer ultrasone trillingen tegen oscillerende frequentie van 42 kHz.
    3. Plaats de ITO / stukjes glas in een ultraviolet-ozon (UV-O 3) schoner en laat de machine gedurende 30 minuten.

2. Bereiding van de voorloperoplossing voor de fotolaag

  1. Los op 0,5 mg van poly [2,7- (9,9-dioctylfluoreen) -alt-4,7-bis (thiofeen-2-yl) benzo-2,1,3-thiadiazool] (PFO-DBT) als elektronenacceptor donor en 1,0 mg Ti-alkoxide in 1 ml chloorbenzeen. Selecteer de volgende Ti-alkoxiden als elektronendonoracceptoren: Ti (IV) isopropoxide, ethoxide, butoxide en butoxide polymeer. Vervolgens los 0,5 mg PFO-DBT en 1,0 mg [60] PCBM in 1 ml chloorbenzeen als referentie.
    LET OP: Hier, de HOMO-LUMO niveau zijn als volgt 21. PFO-DBT: 5,4-3,53 eV, Ti (IV) isopropoxide: 7,49-3,86 eV, ethoxide: 7,55-3,90 eV, butoxide: 7,53-3,76 eV, en butoxide polymeer: ​​7,57-3,83 eV.
  2. Op een magnetische roerder warme Verwarm de precursor oplossing 70 ° C terwijl het roeren met een roerstaaf met een rotatiesnelheid van 700 rpm. Doe dit gedurende 20 min bij afwezigheid van licht, tot de oplossing visueel duidelijk voor het blote oog. Koel de oplossing tot kamertemperatuur, opnieuw in de afwezigheid van licht, voor toekomstig gebruik.

3. Fabricage van de Photoactive Layer

  1. Stort de film door middel van spin-coating.
    1. Verwarm de precursor oplossing van de fotoactieve laag en de ITO / glas piece tot 70 ° C. Gedurende 10 min, verwarm de precursor oplossing door een magnetische roer hotrer verwarmd tot 70 ° C en gebruik een roerstaaf met een rotatiesnelheid van 700 rpm. Verwarm de ITO / glas stuk op een keramische hete plaat verhit tot 70 ° C gedurende 5 minuten.
    2. Plaats de ITO / glas stuk in het midden van het vacuüm fase van de spin coater, verwarmen met een heteluchtpistool tot ongeveer 70 ° C, en zet het vacuüm.
      Opmerking: Het vacuüm wordt gecreëerd door een vacuümpomp met een pompsnelheid van 30 l / min. De uiteindelijke druk van de vacuümpomp 26,6 x 10 3 Pa.
    3. Giet een paar druppels van de oplossing van de precursor fotoactieve laag op de ITO / glas stuk en start de spin coater bij 2000-6000 rpm gedurende 60 s in lucht.
      Opmerking: Het volume van precursor oplossing 0,5 ml, gemeten met een 1 ml spuit.
    4. Afdrogen van de fotoactieve laag voor 10 min bij kamertemperatuur in een luchtatmosfeer bij afwezigheid van licht een 50 nm dikke film als de fotoactieve laag te verkrijgen.
  2. Verwijder de extra film.
    1. Veeg de extra photoactive laag van het oppervlak van de ITO / glas stuk met een wattenstaafje bevochtigd met chloorbenzeen.
    2. Droog de fotoactieve laag weer gedurende 10 minuten bij kamertemperatuur in een luchtatmosfeer bij afwezigheid van licht.
      OPMERKING: De temperatuur van ons experiment kamer gehandhaafd op 25 ° C.

4. Vervaardiging van de elektroden

  1. Print de organische elektrode.
    1. Met behulp van een scherm printer, print een organische elektrode door het plaatsen van poly (3,4-ethyleendioxythiofeen) poly (styreensulfonaat) (PEDOT-PSS) op de foto-actieve laag 22. De metalen masker is 50 micrometer dik, en de drukkende 5 mm x 20 mm.
    2. Droog de organische elektrode gedurende 30 minuten bij kamertemperatuur in een luchtatmosfeer bij afwezigheid van licht.

5. Laminering voor de Solar Cells

  1. Snijd het glassubstraat in stukjes met afmetingen van 1,5 cm x 2,5 cm met een diamanten mes. Verspreidingeen epoxyhars op het glazen substraat met een kunststof spatel. Plaats het glazen substraat met epoxyhars op de fotoactieve laag te beschermen.

6. Voorbereiding voor het meten van de Solar-cell Prestaties

  1. Reinig de elektroden door ze af te vegen met een wattenstaafje bevochtigd met aceton. Bevestig een ondersteunende elektrode op de ITO behulp van een ultrasoon systeem solderen. Laat de soldeerbout met een 42-kHz en bij 230 ° C.

7. Meting van de Solar-cell Prestaties

  1. Meet de stroom-voltage (JV) kenmerken van de zonnecellen door een gelijkstroom voltage stroombron / monitor geïntegreerd systeem, waarbij de zonnesimulator geijkt voor gesimuleerde AM1.5G van 100 mW / cm2 te verschaffen door het silicium fotodiode.
    OPMERKING: Meer gedetailleerde informatie over de meting van de JV curves kan elders worden gevonden 23, 24.

8. Analysis van de Fase-scheiding structuur

  1. Bereid individuele films van fotoactieve lagen gebouwd met Ti-alkoxide en PFO-DBT, met behulp van dezelfde methode voor zonne-cel fabricage, zonder dat de organische elektrode en zonder het lamineren proces.
  2. Met een optische microscoop en een scanning elektronenmicroscoop (SEM) om de morfologie van de fotoactieve laag nageleefd een hoge vergroting (50.000 x) om de fasenscheiding structuur te analyseren.
    OPMERKING: Meer gedetailleerde informatie over SEM operatie kan elders worden gevonden 25, 26.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

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

Wij hebben een protocol voorgesteld voor het vervaardigen van volledig bedrukbare organisch-anorganische BHJ zonnecellen, alsmede een werkwijze voor het besturen van de fasenscheiding structuur. De prestaties van zonnecellen is uitgebreid onderzocht 27-31 als Ti (IV) isopropoxide en ethoxide werden gebruikt als elektronen-aannemende materialen (figuur 1). Deze zonnecellen vertoonden een kortsluitstroom dichtheid (Jsc) die ongeveer acht maal hoger dan die van a...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

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

Om grote omvang van het molecuul in deze werkwijze te gebruiken is het van belang de voorwaarden voor filmvorming door spincoating kennen. Ten eerste moet het p-type en n-type halfgeleiders kunnen worden opgelost in het oplosmiddel. Wanneer sommige materiaal blijft, zal de grote kern van de domeinen in de fotoactieve laag geworden. Het gebruik van een geschikte commerciële filter voor individuele oplosmiddelen wordt aanbevolen om het resterende materiaal te verwijderen. Vervolgens moet de precursor oplossing waarin de m...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

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

De auteurs verklaren dat ze geen concurrerende financiële belangen.

Dankbetuigingen

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

Dit werk werd gedeeltelijk ondersteund door JSPS KAKENHI Grant nummer 25871029, de Nippon Sheet Glass Foundation for Materials Science and Engineering, en de Tochigi Industrial Promotion Center. Het National Institute of Technology, Oyama College, ook geholpen met de publicatie kosten van dit artikel.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
Ti(IV) isopropoxide, 97%Sigma Aldrich205273
Ti(IV) ethoxideSigma Aldrich244759Technische kwaliteit
Ti(IV) butoxide, 97%Sigma Aldrich244112Reagenskwaliteit
Ti(IV) butoxide polymeerSigma Aldrich510718
Poly[2,7-(9,9-dioctylfluoreen)-alt-4,7-bis(thiopheen-2-yl)benzo-2,1,3-thiadiazool] (PFO-DBT)Sigma Aldrich754013
[6,6]-fenyl-C61-butyricumzuurmethylester ([60]PCBM) 99,5%Sigma Aldrich684449Onderzoekskwaliteit
poly(3,4-ethyleendioxythiofeen)-poly(styreensulfonaat) (PEDOT-PSS)HeraeusClevios S V3
1 N zoutzuurWako083-01095
Chlorobenzeen 99,0%Wako032-07986
Aceton 99,5%Wako016-00346
Indium-tinoxide (ITO)-gecoat glassubstraatGeomatec0002100×100×1.1t (mm)
GlassubstraatMatsunami GlassS721376×26×1.2t (mm)
Katoenen staart As one1-8584-16
EpoxyharsNichibanAR-R30
Kunststof spatelAs one2-3956-02
Ultrasoon reinigerAs oneAS482
Magnetische hot  roerderAs oneRHS-1DN
Keramische hotplateAs oneCHP-17DN
Spin coaterKyowarikenK-359 S1
VacuümpompULVACDA-30S
UV-O3 reinigerFilgenUV253E
ZijdeprinterMitani ElectronicsMEC-2400
Ultrasoon soldersysteemKuroda TechnoSUNBONDER USM-5
Geïntegreerd systeem voor gelijkstroomspanning en stroombron/monitorSan-Ei ElectricXES-40S1
Scannende elektronenmicroscoopJEOL Ltd.JSM-7800

Referenties

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Price, C. S., Stuart, C. A., Yang, L., Zhou, H., You, W. Fluorine substituted conjugated polymer of medium band gap yields 7% efficiency in polymer-fullerene solar cells. J. Am. Chem. Soc. 133 (12), 4625-4631 (2011).
  2. Liang, Y. Y., et al. For the bright future-Bulk heterojunction polymer solar cells with power conversion efficiency of 7.4%. Adv. Mater. 22, 135-138 (2010).
  3. Chu, T. -Y., et al. Bulk heterojunction solar cells using thieno[3,4-c]pyrrole-4,6-dione and dithieno[3,2-b:2',3'-d]silole copolymer with a power conversion efficiency of 7.3%. J. Am. Chem. Soc. 133 (12), 4250-4253 (2011).
  4. Zhou, H., et al. Development of fluorinated benzothiadiazole as a structural unit for a polymer solar cell of 7% efficiency. Angew. Chem. Int. Ed. 50 (13), 2995-2998 (2011).
  5. Janssen, J. A. R., Nelson, J. Factors limiting device efficiency in organic photovoltaics. Adv. Mater. 25 (13), 1847-1858 (2012).
  6. Nelson, J. Polymer:fullerene bulk heterojunction solar cells. Mater. Today. 14 (10), 462-470 (2011).
  7. 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. Nat. Photonics. 6, 591-595 (2012).
  8. Baena, J. P. C., et al. Highly efficient planar perovskite solar cells through band alignment engineering. Energy Environ. Sci. 8, 2928-2934 (2015).
  9. Shuttle, G. C., Hamilton, R., O'Regan, B. C., Nelson, J., Durrant, R. J. Charge-density-based analysis of the current-voltage response of polythiophene/fullerene photovoltaic devices. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 107, 16448-16452 (2010).
  10. Dibb, G. F. A., Kirchartz, T., Credgington, D., Durrant, R. J., Nelson, J. Analysis of the relationship between linearity of corrected photocurrent and the order of recombination in organic solar cells. J. Phys. Chem. Lett. 2 (19), 2407-2411 (2011).
  11. Maurano, A., et al. Transient optoelectronic analysis of charge carrier losses in a selenophene:fullerene blend solar cell. J. Phys. Chem. C. 115, 5947-5957 (2011).
  12. Yuan, Y., Michinobu, T., Oguma, J., Kato, T., Miyake, K. Attempted inversion of semiconducting features of platinum polyyne polymers: A new approach for all-polymer solar cells. Macromol. Chem. Phys. 214 (13), 1465-1472 (2013).
  13. Granström, M., et al. Laminated fabrication of polymeric photovoltaic diodes. Nature. 395, 257-260 (1998).
  14. Hal, A. P., et al. Photoinduced electron transfer and photovoltaic response of a MDMO-PPV:TiO2 bulk-heterojunction. Adv. Mater. 15 (2), 118-121 (2003).
  15. Das, K. S., et al. Controlling the processable ZnO and polythiophene interface for dye-densitized thin film organic solar cells. Thin Solid Films. , 302-307 (2013).
  16. Campoy-Quiles, M., et al. Morphology evolution via self-organization and lateral and vertical diffusion in polymer:fullerene solar cell blends. Nature Materials. 7, 158-164 (2008).
  17. Schmidt-Hansberg, B., et al. Moving through the phase diagram: morphology formation in solution cast polymer-fullerene blend films for organic solar cells. ACS Nano. 5 (11), 8579-8590 (2011).
  18. Hou, Q., et al. Novel red-emitting fluorene-based copolymers. J. Mater. Chem. 12, 2887-2892 (2002).
  19. Zheng, L., et al. Synthesis of C60 derivatives for polymer photovoltaic cell. Synth. Met. 135, 827-828 (2003).
  20. Svensson, M., et al. High-performance polymer solar cells of an alternating polyfluorene copolymer and a fullerene derivative. Adv. Mater. 15 (12), 988-991 (2003).
  21. Kato, T., et al. Morphology control for highly efficient organic-inorganic bulk heterojunction solar cell based on Ti-alkoxide. Thin Solid Films. 600, 98-102 (2016).
  22. Shibata, Y., et al. Quasi-solid dye sensitized solar cells with ionic liquid Increase in efficiencies by specific interaction between conductive polymers and gelators. Chem. Comm. 21, 2730-2731 (2003).
  23. Wu, J., et al. A thermoplastic gel electrolyte for stable quasi-solid-state dye-sensitized solar cells. Adv. Funct. Mater. 17 (15), 2645-2652 (2007).
  24. Johansson, J. M. E., et al. Photovoltaic and interfacial properties of heterojunctions containing dye sensitized dense TiO2 and Tri-arylamine derivatives. Chem. Mater. 19 (8), 2017-2078 (2007).
  25. Echlin, P. Handbook of Sample Preparation for Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis. , Springer US. (2011).
  26. Flegler, S. L., Heckman, J. W., Klomparens, K. L. Scanning and Transmission Electron Microscopy: An Introduction. , Oxford University Press. UK. (1993).
  27. Cowan, R. S., Roy, A., Heeger, J. A. Recombination in polymer-fullerene bulk heterojunction solar cells. Phys. Rev. B. 82 (24), 245207(2010).
  28. Street, A. R., Cowan, S., Heeger, J. A. Experimental test for geminate recombination applied to organic solar cells. Phys. Rev. B. 82 (12), 121301(2010).
  29. Shuttle, G. C., et al. Charge extraction analysis of charge carrier densities in a polythiophene/fullerene solar cell: Analysis of the origin of the device dark current. Appl. Phys. Lett. 93, 183501(2008).
  30. Shuttle, G. C., et al. Bimolecular recombination losses in polythiophene: Fullerene solar cells. Phys. Rev. B. 78, 113201(2008).
  31. Reyes-Reyes, M., et al. Methanofullerene elongated nanostructure formation for enhanced organic solar-cells. Thin Solid Films. 516 (1), 52-57 (2007).
  32. Shuttle, G. C., et al. Experimental determination of the rate law for charge carrier decay in a polythiophene: Fullerene solar cell. Appl. Phys. Lett. 92, 093311(2008).
  33. Mori, D., Benten, H., Ohkita, H., Ito, S., Miyake, K. Polymer/polymer blend solar cells improved by using high-molecular-weight fluorene-based copolymer as electron acceptor. ACS Appl. Mater. Interfaces. 4 (7), 3325-3329 (2012).
  34. You, J., et al. A polymer tandem solar cell with 10.6% power conversion efficiency. Nature Commun. 4, 1446(2013).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

Elektronenacceptoren op basis van titaniumalkoxidemethode voor morfologiecontrolefasescheidingsstructuurorganisch anorganisch hybridespincoatingtechniekscanning elektronenmicroscopiestroom spanningskenmerkenPFO DBT donorsysteemvolledig printbare zonnecellen

Gerelateerde artikelen