Kontrola morfologii dla w pełni drukowalnych organiczno-nieorganicznych ogniw słonecznych z heterozłączami masowymi na bazie tytanowo-alkoksydowego i polimeru półprzewodnikowego

Ogólnym celem tego doświadczenia jest wyprodukowanie w pełni drukowalnych, wolnych od fulerenów ogniw słonecznych z masowymi heterozłączami przy użyciu masywnych alkoholanów tytanu jako akceptorów elektronów kontrolujących morfologię. Metoda ta może pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytania w dziedzinie masowych heterozłączowych ogniw słonecznych dotyczące kontrolowania struktury separacji faz warstwy fotoaktywnej organiczno-nieorganicznych hybrydowych masowych heterozłączowych ogniw słonecznych. Główną zaletą tej techniki jest to, że kontroluje ona strukturę separacji faz poprzez utrudnianie samoorganizacji z dużymi cząsteczkami bez ograniczeń rozpuszczalności konwencjonalnej metody rozpuszczalnikowej.

Implikacje tej techniki rozciągają się na uzyskanie wyższej ogólnej wydajności ogniw słonecznych, ponieważ separacja ładunków i transfer ładunków zachodzą zawsze w warstwie aktywnej. Tak więc ta metoda może zapewnić wgląd w system donorów elektronów PFO-DVT. Może być również eksploatowany z polimerami półprzewodnikowymi, takimi jak P3HT lub PTV7.

Aby rozpocząć procedurę, za pomocą noża do szkła pokrój szklane podłoże ITO o grubości 1,1 milimetra na kwadraty o wymiarach dwa centymetry na dwa centymetry. Zidentyfikuj przewodzącą stronę każdego kwadratu za pomocą multimetru cyfrowego. Przykryj przewodzącą stronę każdego kwadratu dwoma paskami taśmy maskującej, pozostawiając odsłonięty pośrodku obszar o wymiarach dwa milimetry na dwa centymetry.

Umieść kilka kropli jednomolowego kwasu solnego na odsłoniętym, przewodzącym obszarze każdego kwadratu. Pozostaw kwadraty na trzy minuty, aby wytrawić pasek w warstwie przewodzącej. Następnie zetrzyj kwas solny za pomocą bawełnianej zatyczki i usuń taśmę maskującą.

Umieść kwadraty w szklanym pojemniku i napełnij pojemnik wodą dejonizowaną. Umieść pojemnik w łaźni wodnej myjki ultradźwiękowej. Uruchom myjkę ultradźwiękową na 42 kilohercach przez 15 minut.

Następnie oczyść kwadraty w acetonie i izopropanolu przez 15 minut każdy. Wysuszyć kwadraty pod strumieniem suchego powietrza. Następnie wyczyść suche kwadraty w środku czyszczącym z ozonem ultrafioletowym przez 30 minut.

Aby przygotować roztwory prekursorów, rozpuść 0,5 miligrama PFO-DBT i 1,0 miligrama wybranego alkoholanu tytanu w jednym mililitrze chlorobenzenu. Owinąć fiolkę folią aluminiową, aby wykluczyć światło. Podgrzej mieszaninę prekursorów do 70 stopni Celsjusza, mieszając z prędkością 700 obr./min.

Mieszaj mieszaninę w tej temperaturze przez około 20 minut. Gdy roztwór wydaje się klarowny, pozwól mu ostygnąć do temperatury pokojowej. Rozpuść 0,5 miligrama PFO-DBT i 1,0 miligrama 60-PCBM w jednym mililitrze chlorobenzenu jako wzorzec odniesienia.

Podgrzewać, mieszać i schładzać wzorzec odniesienia w tych samych warunkach, co prekursory. Aby przygotować się do wirowania, podgrzej prekursor lub roztwór referencyjny na płycie grzejnej w temperaturze 70 stopni Celsjusza, mieszając z prędkością 700 obr./min przez 10 minut. Podgrzej kwadrat wytrawionego szkła ITO na ceramicznej płycie grzejnej w temperaturze 70 stopni przez pięć minut.

Następnie umieść podgrzany kwadrat szklany ITO na środku stopnia próżniowego wirówki. Podgrzej ten kwadrat do 70 stopni za pomocą opalarki, a następnie włącz pompę próżniową, aby zamocować kwadrat na miejscu. Pobrać 0,5 mililitra ciepłego prekursora lub roztworu referencyjnego do jednomililitrowej strzykawki i natychmiast umieścić roztwór na kwadracie.

Następnie uruchom powlekarkę wirową z prędkością od 2 000 do 6 000 obr./min na 60 sekund w powietrzu, aby utworzyć film o grubości 50 nanometrów. Pozostaw powierzchnię do wyschnięcia na 10 minut w temperaturze pokojowej przy braku światła. Następnie użyj bawełnianego wacika, zwilżonego chlorobenzenem, aby usunąć nadmiar materiału fotoaktywnego.

Ponownie wysusz powierzchnię w tych samych warunkach. Aby przeanalizować strukturę separacji faz, należy w tym miejscu przerwać przygotowanie i użyć optycznego lub skaningowego mikroskopu elektronowego w celu uzyskania obrazów warstwy fotoaktywnej. Aby wydrukować elektrodę organiczną na szklanym kwadracie ITO pokrytym materiałem fotoaktywnym, użyj sitodrukarki z metalową maską o grubości 50 mikrometrów, aby wydrukować prostokąt PDOT-PSS o wymiarach pięć milimetrów na 20 milimetrów na powierzchni kwadratu.

Pozostaw elektrodę do wyschnięcia na 30 minut w powietrzu o temperaturze pokojowej przy braku światła. Następnie wytnij frezem diamentowym kawałek szklanego podłoża o wymiarach 1,5 cm na 2,5 centymetra o grubości 1,2 milimetra. Rozprowadź żywicę epoksydową na szklanym kawałku za pomocą plastikowej szpatułki.

Umieść szklaną stronę epoksydową do dołu na próbce, pozostawiając odsłoniętą jedną stronę powierzchni próbki. Wyczyść elektrody nośne acetonem i bawełnianym wacikiem. Użyj lutownicy ultradźwiękowej, aby elektrody nośne do pozostałej odsłoniętej powierzchni kwadratu.

Zmierz charakterystykę napięcia prądu ogniwa za pomocą symulatora słonecznego. Powtórzyć tę procedurę dla każdego wodorotlenku tytanu, który ma być badany, oraz dla PFO-DBT jako odniesienia. Organiczno-nieorganiczne masowe heterozłączowe ogniwa słoneczne zostały wytworzone przy użyciu czterech różnych alkoholanów tytanu jako akceptorów elektronów.

Na charakterystykę napięcia prądowego istotny wpływ miały właściwości alkoholanów, co przypisano różnicom w strukturze separacji faz warstwy fotoaktywnej. Gęstości prądu zwarciowego ogniw wykorzystujących izotlenek tytanu czterech, etoksyd i butoksyd były znacznie wyższe niż w ogniwach wykorzystujących polimer butoksydu. Skaningowa mikroskopia elektronowa warstw fotoaktywnych wykazała akceptowalne struktury separacji faz dla ogniw tytanu z czterotlenku i izopropoksydu.

Ogniwo z czterotlenkiem tytanu wykazywało nieco gorszą separację faz, co przypisywano objętości buttlenku. Jeszcze większa masa polimeru czterobutotlenkowego tytanu uniemożliwiała optymalną separację faz, co skutkowało słabym wytwarzaniem ładunku w warstwie fotoaktywnej. Po każdym opracowaniu technika ta torowała drogę naukowcom zajmującym się organiczno-nieorganicznymi hybrydowymi ogniwami słonecznymi do badania kombinacji różnych materiałów w celu uzyskania wysoce wydajnych warstw fotoaktywnych.