Przedstawiono metodę wytwarzania, w warunkach otoczenia, organicznych tandemowych urządzeń fotowoltaicznych w konfiguracji równoległej. Urządzenia te wyposażone są w uzdatnioną powietrzem, półprzezroczystą wspólną katodę z nanorurek węglowych.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Przedstawiono metodę wytwarzania, w warunkach otoczenia, organicznych tandemowych urządzeń fotowoltaicznych w konfiguracji równoległej. Urządzenia te wyposażone są w uzdatnioną powietrzem, półprzezroczystą wspólną katodę z nanorurek węglowych.
Przedstawiono metodę wytwarzania organicznych tandemów fotowoltaicznych (OPV), która nie wymaga obróbki próżniowej. Urządzenia te składają się z dwóch przetworzonych w roztworze komórek polimerowych połączonych równolegle przezroczystą warstwą pośrednią z nanorurek węglowych (CNT). Struktura ta obejmuje ulepszenia w technikach wytwarzania tandemowych urządzeń OPV. W pierwszej kolejności rozważane jest zapotrzebowanie na katody przetwarzane w temperaturze otoczenia. Anoda CNT w urządzeniu tandemowym jest dostrojona za pomocą bramkowania jonowego, aby stać się wspólną katodą. Bramkowanie jonowe wykorzystuje elektryczne ładowanie dwuwarstwowe w celu obniżenia funkcji roboczej elektrody CNT. Po drugie, rozwiązano problem trudności związanych z sekwencyjnym układaniem warstw tandemowych za pomocą przetwarzania roztworu. Urządzenia są wytwarzane poprzez rozpuszczanie i laminowanie na sucho w warunkach otoczenia z równoległymi etapami obróbki. Opisano metodę wytwarzania poszczególnych ogniw polimerowych, etapy potrzebne do laminowania ich razem ze wspólną katodą CNT, a następnie dostarczenie reprezentatywnych wyników. Wyniki te wskazują na bramkowanie jonowe elektrody CNT w celu wytworzenia wspólnej katody oraz dodanie prądu i wydajności w wyniku procedury laminowania.
Półprzewodniki polimerowe są wiodącymi organicznymi materiałami fotowoltaicznymi (OPV) ze względu na wysoką chłonność, dobre właściwości transportowe, elastyczność i kompatybilność z podłożami wrażliwymi na temperaturę. Sprawność konwersji mocy urządzeń OPV znacznie wzrosła η w ostatnich latach, osiągając sprawność pojedynczych ogniw na poziomie 9,1%1, co czyni je coraz bardziej opłacalną technologią energetyczną.
Pomimo ulepszeń w η, cienkie, optymalne grubości aktywnych warstw urządzeń ograniczają absorpcję światła i utrudniają niezawodne wytwarzanie. Dodatkowo szerokość widmowa absorpcji światła przez każdy polimer jest ograniczona w porównaniu z materiałami nieorganicznymi. Parowanie polimerów o różnej czułości widmowej pozwala ominąć te trudności, co sprawia, że architektura tandemowa2 jest niezbędną innowacją.
Urządzenia tandemowe serii są najczęściej spotykaną architekturą tandemową. W tym projekcie materiał transportujący elektrony, opcjonalna metaliczna warstwa rekombinacji i warstwa transportu łączą dwie niezależne warstwy fotoaktywne zwane podkomórkami. Łączenie podkomórek w konfiguracji szeregowej zwiększa napięcie obwodu otwartego urządzenia kombinowanego. Niektóre grupy odniosły sukces ze zdegenerowanymi domieszkowanymi warstwamitransportowymi 3-5, ale więcej grup używało cząstek złota lub srebra do wspomagania rekombinacji i elektronów w międzywarstwie6,7.
Dla kontrastu, tandemy równoległe wymagają elektrody o wysokiej przewodności, anody lub katody, łączącej dwie warstwy aktywne. Warstwa pośrednia musi być wysoce przezroczysta, co ogranicza szeregowe warstwy pośrednie tandem zawierające cząstki metaliczne, a tym bardziej dla równoległych warstw pośrednich tandemowych złożonych z cienkich, ciągłych elektrod metalowych. Arkusze nanorurek węglowych (CNT) wykazują wyższą przezroczystość niż warstwy metalowe. W związku z tym NanoTech Institute, we współpracy z Uniwersytetem Shimane, wprowadził koncepcję stosowania jako elektrody międzywarstwowej w monolitycznych, równoległych urządzeniach tandemowych8.
Poprzednie próby obejmowały monolityczne, równoległe, tandemowe urządzenia OPV z arkuszami CNT pełniącymi funkcję anod międzywarstwowych8,9. Metody te wymagają szczególnej ostrożności, aby uniknąć zwarcia jednej lub obu komórek lub uszkodzenia poprzednich warstw podczas osadzania późniejszych warstw. Nowa metoda opisana w tym artykule ułatwia wytwarzanie poprzez umieszczenie elektrody CNT na polimerowych warstwach aktywnych dwóch pojedynczych komórek, a następnie laminowanie dwóch oddzielnych urządzeń razem, jak pokazano na rysunku 1. Ta metoda jest niezwykła, ponieważ urządzenie, w tym stabilna katoda CNT, może być wytwarzane w całości w warunkach otoczenia, przy użyciu wyłącznie przetwarzania na sucho i w roztworze.
Arkusze CNT nie są same w sobie dobrymi katodami, ponieważ wymagają domieszkowania typu n, aby zmniejszyć funkcję pracy w celu zbierania elektronów z obszaru fotoaktywnego ogniwa słonecznego10. Elektryczne ładowanie dwuwarstwowe w elektrolicie, takim jak ciecz jonowa, może być wykorzystane do przesunięcia funkcji roboczej elektrod CNT11–14.
Jak opisano w poprzednim artykule15 i przedstawiono na rysunku 2, gdy napięcie bramki (V Gate) wzrasta, funkcja pracy wspólnej elektrody CNT jest zmniejszana, tworząc asymetrię elektrody. Zapobiega to zbieraniu od dawcy OPV na rzecz zbierania elektronów z akceptora OPV, a urządzenia włączają się, zmieniając zachowanie z nieefektywnego fotorezystora na fotodiodę15. Należy również zauważyć, że energia zużywana do ładowania urządzenia oraz moc tracona na skutek prądów upływowych bramki jest znikoma w porównaniu z mocą generowaną przez ogniwo słoneczne15. Bramkowanie jonowe elektrod CNT ma duży wpływ na funkcję pracy ze względu na niską gęstość stanów i wysoki stosunek powierzchni do objętości w elektrodach CNT. Podobne metody zastosowano w celu wzmocnienia bariery Schottky'ego na granicy faz CNT z n-Si16.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
1. Wzór i czyszczenie tlenku indu i cyny (ITO)
UWAGA: Użyj szkła ITO 15Ω/□ i kup lub pokrój szkło ITO na rozmiary odpowiednie do powlekania wirowego i fotolitografii. Najbardziej efektywne jest wykonanie kroków 1.1-1.7 na jak największym kawałku szkła, a następnie pocięcie go na mniejsze urządzenia. Należy również pamiętać, że kroki 1.1-1.7 wymagają, aby szkło ITO było zorientowane stroną ITO do góry. Można to łatwo sprawdzić za pomocą ustawienia rezystancji multimetru.
2. Wytwarzanie podkomórek OPV
3. Wyprodukuj urządzenie tandemowe
4. Zmierz urządzenie
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Urządzenie tandemowe utworzone z różnych polimerów, w szczególności polimerów o znacząco różnych przerwach energetycznych, jest interesujące z praktycznego punktu widzenia, ponieważ takie urządzenia mogą absorbować najszerszy zakres widmowy światła. W tej strukturze urządzenia podogniwo PTB7 stanowi ogniwo tylne, a P3HT jest podogniwem przednim. Ma to na celu absorpcję jak największej ilości światła, ponieważ podogniwo P3HT jest w dużej mierze przezroczyste dla światła o dłuższej długości fali absorbowanego przez podogni...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Wyniki podkreślają kilka kwestii, które należy wziąć pod uwagę podczas projektowania równoległych tandemowych ogniw słonecznych. Warto zauważyć, że jeśli jedna z podkomórek działa słabo, negatywnie wpływa to na wydajność tandemu. Wyniki pokazują, że istnieją dwa główne efekty. Jeśli jedna podkomórka jest zwarta, np. wykazuje zachowanie omowe, FFT nie będzie wyższe niż FF złej podkomórki. JTSC i VTOC zostaną dotknięte w podobny sposób. Dzieje się tak w przypa...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
Wsparcie dla tej pracy zostało zapewnione przez DOE STTR grant DE-SC0003664 on Parallel Tandem Organic Solar Cells with Carbon Nanotube Sheet Interlayers oraz grant Fundacji Welch AT-1617. Autorzy dziękują J. Bykovej za udostępnienie lasów CNT oraz A. R. Howardowi, K. Meilczarkowi i J. Veltenowi za pomoc techniczną i użyteczne dyskusje.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Poli(3,4-etylenodioksytiofen):p oly-(styrenosulfonian) | Heraeus | Clevios PVP AI 4083 | |
| poli(3-heksyliotiofen-2,5-diyl) | Rieke Metals Inc. | P3HT: P200 | |
| fenylo-C61-masłowy kwas metylowy ester | 1- Materiał | PC61BM | |
| Poli({4,8-bis[(2-etyloheksyl)oksy]benzo[1,2-b:4,5-b′]ditiofen-2,6-diyl}{3-fluoro-2-[(2-etyloheksyl)karbonyl]tieno[3,4-b]tiofenodiyl}) | 1- Materiał | PTB7 | |
| kwas fenylo-C61-masłowy ester | Solenne | PC71BM | |
| 1,8-dijodooktan | Sigma Aldrich | 250295 | |
| Chlorobenzen | Sigma Aldrich | 284513 | |
| Szkło powlekane tlenkiem indu i cyny 15 Ohm / SQ | Lumtec | ||
| S1813 | UTD Cleanroom | ||
| MF311 | UTD Cleanroom | ||
| HCl | UTD Cleanroom | ||
| Aceton | Fisher Scientific | A18-20 | |
| Toluen | Fisher Scientific | T323-20 | |
| Metanol | BDH | BDH1135-19L | |
| Izopropanol | Fisher Scientific | A416-20 | |
| CEE Spincoater | Brewer Scientific | http://www.utdallas.edu/research/cleanroom/tools/CEESpinCoater.htm | |
| Drukarka kontaktowa | Quintel | Q4000-6 | http://www.utdallas.edu/research/cleanroom/QuintelPrinter.htm |
| CPK Procesor | http://www.utdallas.edu/research/cleanroom/tools/CPKsolvent.htm | ||
| Powlekarka wirowa | Laurell | WS-400-6NPP/LITE | |
| [nagłówek] | |||
| Schowek na rękawiczki | M-Braun | Lab Master 130 | |
| Solar Simulator | Thermo Oriel/Newport | ||
| Keithley 2400 SMU | Keithley/Techtronix | 2400 | |
| Keithley 7002 Multiplekser | Keithley/Techtronix | 7002 | |
| Myjka ultradźwiękowa | Kendal | HB-S-49HDT | |
| Mikropipeta | Eppendorf | 200 µ l |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.