Methodenartikel

Goed uitgelijnde verticaal georiënteerde ZnO nanostaafjes matrices en hun toepassing in omgekeerde kleine Molecule zonnecellen

DOI:

10.3791/56149

⸱

25 april 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 dit artikel

Samenvatting

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

Dit manuscript wordt beschreven hoe om te ontwerpen en fabriceren van efficiënte omgekeerde SMPV1:PC71BM zonnecellen met ZnO nanostaafjes (NRs) gegroeid op een hoge kwaliteit Al-doped ZnO (AZOKLEURSTOFFEN) zaad laag. De goed uitgelijnde verticaal georiënteerde ZnO NRs tentoonstelling hoge kristallijne eigenschappen. Het omzettingsrendement van de macht van zonnecellen kan 6.01% bereiken.

Samenvatting

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

Dit manuscript wordt beschreven hoe u ontwerpen en fabriceren van efficiënte omgekeerde zonnecellen, die op een twee-dimensionale geconjugeerd klein molecuul (SMPV1 berusten) en [6,6] - fenyl - C71-boterzuur methylester (PC71BM), door gebruik te maken van ZnO nanostaafjes (NRs) gegroeid op een hoge kwaliteit Al-doped ZnO (AZOKLEURSTOFFEN) zaad laag. De omgekeerde SMPV1:PC71BM zonnecellen met ZnO NRs dat op beide een plaatgaasfolie en sol-gel verwerkte AZO zaad-laag groeide zijn gefabriceerd. Vergeleken met de AZO dunne film bereid volgens de methode van de sol-gel, vertoont de plaatgaasfolie AZO dunne film beter kristallisatie en lagere oppervlakteruwheid, volgens röntgendiffractie (XRD) en atomaire kracht Microscoop (AFM) metingen. De oriëntatie van de ZnO NRs gegroeid op een plaatgaasfolie AZO zaad laag toont beter verticale uitlijning, die gunstig is voor de afzetting van de latere actieve laag, vorming van betere oppervlakte morphologies. De bovengrondse morfologie van de actieve laag domineert in het algemeen, vooral de opvulfactor (FF) van de apparaten. De goed uitgelijnde ZnO NRs kan bijgevolg worden gebruikt om de collectie van de drager van de actieve laag en te verhogen de FF van de zonnecellen. Bovendien, als de structuur van een anti-reflectie, kan het ook worden gebruikt om de lichte oogsten van de laag absorptie, met het omzettingsrendement van macht (PCE) van zonnecellen bereiken 6.01%, hoger dan de sol-gel op basis van zonnecellen met een rendement van 4,74 %.

Inleiding

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

Organische fotovoltaïsche (OPV) apparaten hebben onlangs opmerkelijke ontwikkelingen bij de toepassing van hernieuwbare energiebronnen ondergaan. Dergelijke biologische apparaten hebben vele voordelen, met inbegrip van het oplossingsproces compatibiliteit, lage kosten, licht gewicht, flexibiliteit, etc.1,2,3,4,5 tot nu toe polymeer zonnecellen (PSC's) met een PCE van meer dan 10% hebben ontwikkeld door gebruik te maken van het geconjugeerd polymeren vermengd met PC71BM6. Vergeleken met polymeer gebaseerde PSC's, kleine molecuul gebaseerde OPVs (SM-OPVs) hebben meer aandacht aangetrokken als het gaat om het fabriceren van OPVs als gevolg van hun verschillende duidelijke voordelen, met inbegrip van welomschreven chemische structuren, facile synthese en zuivering, en over het algemeen hogere open circuit voltage (Voc)7,8,9. Op dit moment een 2D-structuur geconjugeerd klein molecuul 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) met BDT-T (benzo [1,2-b:4, 5-b'] dithiophene) als de kern eenheid en 3-octylrodanine als de intrekking van de elektron einde-groep10 is ontworpen en gewend mix met PC71BM voor veelbelovende duurzame toepassing van de OPVs. De PCE van conventionele kleine molecuul zonnecellen (SM-OPVs) op basis van SMPV1 vermengd met PC71BM heeft bereikt meer dan 8,0%10,11.

In het verleden kon PSC's worden verbeterd en geoptimaliseerd gewoon door het aanpassen van de dikte van de actieve laag. In tegenstelling tot de PSC hebben SM-OPVs in het algemeen echter een kortere lengte van verspreiding, die sterk de dikte van de actieve laag beperkt. Vandaar, om verder verhogen de korte stroomdichtheid (Jsc) van SM-OPVs, met behulp van de nano-structuur12 of NRs9 ter verbetering van de optische absorptie van SM-OPVs werd noodzakelijk.

Tussen deze methoden is de anti-reflectie NRs structuur in het algemeen effectief voor lichte oogsten van de actieve laag over een breed scala aan golflengten; Daarom is het zeer kritisch weten hoe om te groeien goed uitgelijnde verticaal georiënteerd zinkoxide (ZnO)-NRs. De oppervlakteruwheid van de zaad-laag onder de laag ZnO NRs heeft een grote invloed op de oriëntatie van de NR arrays; Daarom, om goed georiënteerde NRs storten, de kristallisatie van de zaad-laag moet juist gecontroleerde9.

In dit werk, worden de AZO films voorbereid door theRadio-frequentie (RF) sputteren techniek. Vergeleken met andere technieken, is RF sputteren bekend om zijn een efficiënte technologie die kan worden overgedragen aan de industrie voor het is een betrouwbare afzetting techniek, waarmee de synthese van hoge zuiverheid, uniform, glad en zelf duurzame AZO dunne lagen te groeien over groot gebied substraten. Met behulp van de RF kathodische depositie kan de vorming van hoge kwaliteit AZO films die hoge kristallisatie met verminderde ruwheid van oppervlak exposeren. In de daaropvolgende groei laag, zijn daarom zeer de oriëntaties van de NRs uitgelijnd, zelfs meer dus als in vergelijking met ZnO films bereid volgens de methode van de sol-gel. Met behulp van deze techniek, kan de PCE van de omgekeerde klein molecuul zonnecellen gebaseerd op goed uitgelijnd verticaal georiënteerd ZnO NR arrays 6.01% bereiken.

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

Protocol

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

1. groei van AZOKLEURSTOFFEN plaatgaasfolie zaad laag op ITO substraat

  1. Stok 4 stuks van de anti-corrosie tape (0.3 x 1,5 cm) aan de ene kant van het indium tin oxide (ITO) substraat te vormen een vierkant (1,5 x 1,5 cm). Zet de ITO in 15 min naar de blootgestelde gebied van ITO etch zoutzuur.
  2. Verwijder de tape en schoon het monster met behulp van een ultrasoonapparaat; Bewerk ultrasone trillingen ten met gedeïoniseerd water (DI) water aceton, ethanol en isopropanol en op zijn beurt voor elke 30 min. Het patroon ITO met een pistool samengeperste stikstof en föhn.
  3. Koppelt de schoongemaakte gedessineerde ITO substraten op de houder van het substraat met tape, en laadt de houder in de belangrijkste kamer van RF systeem sputteren. Pomp de druk van de kamer om te lager dan 4 x 10-6 torr via de mechanische en diffusie pomp om ecologische zuiverheid.
  4. Invoegen van zuiver argon gas (debiet: 30 sccm) in de belangrijkste kamer en de controle van de pomp te houden van de druk van de kamer op 1 mtorr.
  5. De AZO zaad lagen met behulp van de RF (13,56 MHz) methode, op basis van de gerapporteerde methode13sputteren voor te bereiden. Gebruik een circulaire 2 in dimensie AZO (2 wt Al2O3 in ZnO) keramische procent te deponeren ze op vooraf gereinigd ITO glazen substraten. Houd de afstand van de target-naar-substraat op 10 cm.
  6. Handhaven werkdruk op 1 mtorr en RF vermogen bij 40 W tijdens de afzetting. Controle van de temperatuur van de ondergrond bij kamertemperatuur. Stel de toegepaste DC bias en afzetting rate tot 187 V en 4 nm/min, respectievelijk te storten de AZO dunne film. De dikte van de laag AZO zaad moet worden gecontroleerd op 40 nm gebaseerd op de quartz crystal dikte monitor.
  7. Nadat het monster tot 30 ° C in de zaal afkoelt, uitschakelen van de pomp en stikstofgas invoegen met de belangrijkste kamer, totdat de kamer kan worden geopend. Verwijder het monster uit de houder van het substraat.

2. de groei van de Sol-gel verwerkt ZnO zaad laag op ITO substraat

  1. De ZnO zaad laag op het patroon ITO substraat storten door de sol-gel spin coating methode14. Het zink acetaat (dihydraat) p.a., 2-methoxethanol en monoëthanolamine (MEA) worden gebruikt als de uitgangsstoffen, oplosmiddel, en stabilisator, respectievelijk.
    1. Los de zink acetaat (dihydraat) p.a. (4.39 g) in een mengsel van 2-methoxethanol (40 mL) en MEA (1,22 g) te verkrijgen van de zink-acetaat concentratie van 0,5 M.
    2. Roer het resulterende mengsel bij 60 ° C gedurende 2 uur. Laat de sol zitten voor 12u een duidelijke en transparante homogene oplossing vormen.
    3. Stort de ZnO zaad laag op de schoongemaakte ITO patroon glazen substraten met behulp van de methode van de spin coating. Voeg 0,1 mL oplossing van de sol-gel op het substraat en draaien bij 3000 t/min voor 30 s met behulp van een draai-coater.
    4. Na spin coating, droge de film bij 200 ° C gedurende 30 minuten op een hete plaat zodat het oplosmiddel te verdampen en het verwijderen van de organische reststoffen. De dikte van de laag ZnO zaad moet ongeveer 40 nm14.

3. de groei van ZnO NR Array op een laag zaad

  1. Groeien de ZnO NR matrix hydrothermale methode.
    1. Mix 1,49 g zink nitraat-hexahydraat (Zn (3)2·6H2O) en 0,7 g hexamethyleentetramine (HMT) (C6H12N4) in 100 mL DI water. Roer het resulterende mengsel bij kamertemperatuur gedurende 30 minuten.
    2. De ITO-kant van de AZOKLEURSTOFFEN plaatgaasfolie zaad laag met de monsters van de sol-gel ZnO hechten aan het glas van de cover met behulp van tape. Zet de monsters in een 50 mL polypropyleen conische buis gevuld met de 50 mL oplossing van Zn (3)2·6H2O en HMT.
    3. Tijdens de groei, verhit de polypropyleen conische buis door het leggen van het horizontaal in een laboratorium oven met de monsters van de spin gecoat naar beneden, en handhaving van de temperaturen bij 90 ° C gedurende 90 min.
    4. Aan het einde van de groeiperiode, verwijder de substraten uit de oplossing en onmiddellijk spoel het oppervlak van de steekproef met DI water en ethanol (binnen twee wassen flessen) op hun beurt weer voor 1 min elke resterende zout uit het oppervlak verwijderen. Het monster met behulp van een gecomprimeerde stikstof-pistool en föhn en het bakken op een hete plaat bij 250 ° C gedurende 10 minuten.

4. fabricage en meting van omgekeerde klein molecuul zonnecellen

  1. Laden van de ITO-substraat met de ZnO NR-array op een spin-coater in de ' glovebox '. Meng 1 mL tolueen 15 mg SMPV1 en 11.25 mg van PC71BM. toevoegen met 0,1 mL oplossing, draai het monster bij 2.000 rpm voor 40 s met behulp van een draai-coater, en het gloeien bij 60 ° C gedurende 2 minuten.
  2. Na de onthardende proces, het substraat in een thermische verdamping te plaatsen. Pomp de Vacuuemcel aanvankelijk het gebruik van een mechanische pomp totdat de druk 4 x 10-2 torr, dan overschakelen naar een turbo pomp te maken van de omgevingsdruk < 4 x 10-6 torr.
  3. Stort de MoO3 laags met een snelheid van de depositie van 0,1 nm/s door verwarming MoO3 poeder in een vuurbestendige molybdeen boot met een Z-ratio van 1.0 en een input stroom van 105 A. storting de Ag laag tempo een afzetting van 0,5 nm/s door verwarming zilveren ingots in een vuurbestendige t ungsten boot met een Z-ratio van 0.529 en een input stroom van 190 A. Het systeem dient een kwartskristal verdamping tarief monitor voor het beheersen van het proces van verdamping. De dikte van de MoO3 en Ag lagen moet worden gecontroleerd om te worden 5 en 150 nm, respectievelijk gebaseerd op de quartz crystal dikte monitor.
  4. Nadat het monster tot 30 ° C in de zaal afkoelt, uitschakelen van de pomp en stikstofgas invoegen in de bedwelmingsruimte totdat de kamer kan worden geopend. Verwijder het monster uit de houder van het substraat en laadt het monster in de ' glovebox '.
  5. Open het systeem zonne-simulator en 20 min wachten totdat de lichtbron van het systeem stabiel is. Verlichten van het monster bij 100 mW/cm2 uit een zonne-simulator met behulp van een luchtmassa 1.5 global (AM 1.5G) filter. Gelijktijdig, gebruik maken van de analyzer te vegen van het apparaat van -1 V + 1 V aan het verkrijgen van de stroomdichtheid-spanning (J-V) curve14,15.

5. karakterisering technieken

  1. Voer de röntgendiffractie meet16 met een Cu Kα bron te bestuderen van de structuren van de ZnO NRs, op de AZO plaatgaasfolie zaad laag en de ZnO sol-gel verwerkt zaad. De snelheid van de scan moet 1 ° / min. en het scanbereik moet 10-90 ° (2θ).
  2. Karakteriseren de bovengrondse morfologie en het transversale imago van de monsters door veld emissie elektronenmicroscopie17 scannen door het instellen van de bedrijfsspanning 10 kV.
  3. Verkrijgen van de micro fotoluminescentie (PL) spectra van alle van de monsters met behulp van een 325 nm hij-Cd CW laser (20 mW) als de excitatie-bron met een 2400 raspend groeven/mm in de backscattering geometrie. AllPL metingen18 moet worden uitgevoerd bij kamertemperatuur.

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

Resultaten

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

De gelaagde structuur van de apparaten bestond uit een ITO substraat/AZO (40 nm) / ZnO NRs laag, SMPV1:PC71BM (80 nm) /3 MoO (5 nm) /Ag (150 nm) zoals aangegeven in Figuur 1. In het algemeen, wordt de AZO of ZnO zaad laag veel gebruikt om te functioneren als het elektronentransport laag (ETL) in PSC's apparaten. Afgezien van PSC hebben SM-OPVs meestal een kortere actieve laag, beperkt door de kortere diffusie lengte8

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

Discussie

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

Door gebruik te maken van de NRs tussenlaag, kan de Jsc zowel de FF van de apparaten worden verbeterd. De oppervlakteruwheid van NRs zal echter ook invloed op de latere processen. Dus, de afdrukstand en de bovengrondse morfologie van de NRs moeten zorgvuldig gemanipuleerd worden. Voor een lange tijd verwerkt de sol-gel ETL zoals TiO2 en ZnO werden vaak gebruikt in PSC's als gevolg van hun eenvoudige procedures. Echter de kristallisatie van sol-gel verwerkt lagen is over het algemeen van de amorfe ty...

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

Openbaarmakingen

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

De auteurs verklaren dat zij geen concurrerende financiële belangen hebben.

Dankbetuigingen

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

De auteurs bedank het National Science Raad van China voor de financiële ondersteuning van dit onderzoek onder Contract nr. MEESTE 106-2221-E-239-035, en de meeste 106-2119-M-033-00.

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

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
AZO-doelUltimate Materials Technology Co., Ltd.geenAZO (2 wt% Al2O3 in ZnO), 3”ψx 3mmt
+ 3mmt Cu B/P + Bonding
SMPV1Luminescence Technology Corp.1651168-29-42,6-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
RF-sputteringsysteemKao Duen Technology Co., Ltdgeenhttp://www.kaoduen.com.tw/index.php?action=product
ZinkacetaatdihydraatJ. T. Baker59704564,39 g
MonoethanolamineJ. T. Baker1414351,22 g
2-methoxyethanolSigma-Aldrich10986440 mL
ZinknitraathexhydraatJ. T. Baker101961861,49 g
HexamethylenetetramineSigma-Aldrich100-97-00,7 g
Indium tin oxide (ITO)RiTdisplaygeengecoate glazen substraten (<10 Ω sq–1)
AFMVeecoInnova SPM
SEMFEINova 200 NanoSEMwerkingsspanning: 10 kV
XRDBrukerD8 röntgendiffractometer2θ bereik: 10–90 °; stappengrootte: 0,008 °
PLHoribaJobin-Yvon HR800excitatibront: 325 nm UV-laser 20 mW
zonnesimulatorNewport91192AAM 1.5G
Precisie-halfgeleiderparameteranalysatorKeysight TechnologiesAgilent 4156Cveeg van -1 tot +1 V
tolueenSigma-Aldrich108-88-31 mL
PC71BMSigma-Aldrich609771-63-311,25 mg
Thermale verdampingsinstallatieKao Duen Technology Co., LtdKao Duen PVD-systeemhttp://www.kaoduen.com.tw/index.php?action=product
HClSigma-Aldrich7647-01-0
MoO3Alfa Aesar1313-27-599,50%
Zilveren staafADMAT Inc.geen100,00%
DannelaagdepositionscontrollerINFICONXTC
Anticorrosietape (polyimidefilm)3M Taiwan Corporationgeenhttp://solutions.3m.com.tw/wps/portal/3M/zh_TW/InsulatingTape/home/product/Polyimide/
spincoaterChemat Technology, IncKW-4Ahttp://www.chemat.com/chematscientific/KW-4A.aspx

Referenties

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Dou, L., et al. Tandem polymer solar cells featuring a spectrally matched low-bandgap polymer. Nat. Photonics. 6 (3), 180-185 (2012).
  2. You, J., et al. Metal Oxide Nanoparticles as an Electron-Transport Layer in High Performance and Stable Inverted Polymer Solar Cells. Adv. Mater. 24 (38), 5267-5272 (2012).
  3. Dou, L., et al. Systematic Investigation of Benzodithiophene- and Diketopyrrolopyrrole-Based Low-Bandgap Polymers Designed for Single Junction and Tandem Polymer Solar Cells. J. Am. Chem. Soc. 134 (24), 10071-10079 (2012).
  4. Li, G., Zhu, R., Yang, Y. Polymer solar cells. Nat. Photonics. 6 (3), 153-161 (2012).
  5. You, J., et al. A polymer tandem solar cell with 10.6% power conversion efficiency. Nat. Commun. 4, 1446(2013).
  6. Chen, J. D., et al. Single-Junction Polymer Solar Cells Exceeding 10% Power Conversion Efficiency. Adv. Mater. 27 (6), 1035-1041 (2015).
  7. Zhang, H., et al. Developing high-performance small molecule organic solar cells via a large planar structure and an electron-withdrawing central unit. Chem. Commun. 53, 451-454 (2017).
  8. Zhou, H., et al. Conductive Conjugated Polyelectrolyte as Hole-Transporting Layer for Organic Bulk Heterojunction Solar Cells. Adv. Mater. 26 (5), 780-785 (2014).
  9. Lin, M. Y., et al. Enhance the light-harvesting capability of the ITO-free inverted small molecule solar cell by ZnO nanorods. Opt. Express. 24 (16), 17910-17915 (2016).
  10. Liu, Y., et al. Solution-processed small-molecule solar cells: breaking the 10% power conversion efficiency. Sci. Rep. 3, 3356(2013).
  11. Farahat, M. E., et al. Toward environmentally compatible molecular solar cells processed from halogen-free solvents. J. Mater. Chem. A Mater. Energy Sustain. 4 (19), 7341-7351 (2016).
  12. Lin, M. Y., et al. Plasmonic ITO-free polymer solar cell. Opt. Express. 22 (S2), A438-A445 (2014).
  13. Donato, A., et al. RF sputtered ZnO-ITO films for high temperature CO sensors. Thin Solid Films. 517 (22), 6184-6187 (2009).
  14. Lin, M. Y., et al. Sol-gel processed CuOx thin film as an anode interlayer for inverted polymer solar cells. Org. Electron. 11 (11), 1828-1834 (2010).
  15. Vandewal, K., et al. On the origin of the open-circuit voltage of polymer-fullerene solar cells. Nat. Mater. 8, 904-909 (2009).
  16. Sharma, R., et al. X-ray diffraction: a powerful method of characterizing nanomaterials. Recent Research in Science and Technology. 4 (8), 77-79 (2012).
  17. Huggett, J. M., Shaw, H. F. Field emission scanning electron microscopy a high-resolution technique for the study of clay minerals in sediments. Clay Miner. 32, 197-203 (1997).
  18. Lou, S., et al. Laser beam homogenizing system design for photoluminescence. Appl. Opt. 53 (21), 4637-4644 (2014).
  19. Huang, J. S., Lin, C. F. Influences of ZnO sol-gel thin film characteristics on ZnO nanowire arrays prepared at low temperature using all solution-based processing. J. Appl. Phys. 103, 014304(2008).
  20. Leung, S. F., et al. Light Management with Nanostructures for Optoelectronic Devices. J. Phys. Chem. Lett. 5, 1479-1495 (2014).
  21. Lee, C. Y., et al. White-light electroluminescence from ZnO nanorods/polyfluorene by solution-based growth. Nanotechology. 20 (42), (2009).

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

Inverted zonnecellenAl gedoteerde ZnO seedlaaggesputterde AZO dunne filmsol gel verwerkte AZOverticale nanostaaf uitlijningr ntgendiffractieanalyseatoomkrachtmicroscopieenergie omzettingsrendement

Gerelateerde artikelen