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Artigo de método

Método ambiente para a produção de um Common Cathode ionicamente fechado de Nanotubos de Carbono em Células solares orgânicas Tandem

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DOI:

10.3791/52380

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5 de novembro de 2014

 ,  ,  ,  , 
1Physics Department, The University of Texas at Dallas, 2The NanoTech Institute, The University of Texas at Dallas, 3Department of Applied Physics, Aalto University School of Science

Neste artigo

Resumo

Um método de fabricação, em condições ambientais, de dispositivos tandem fotovoltaicos orgânicos em uma configuração paralela é apresentado. Esses dispositivos apresentam um cátodo comum de nanotubo de carbono semitransparente processado a ar.

Resumo

Um método de fabricação de tandem fotovoltaicos orgânicos (OPV) que não requer processamento a vácuo é apresentado. Esses dispositivos são compostos por duas células poliméricas processadas em solução conectadas em paralelo por uma camada intermediária de nanotubos de carbono transparente (CNT). Essa estrutura inclui melhorias nas técnicas de fabricação para dispositivos OPV em tandem. Primeiro, a necessidade de cátodos processados em ambiente é considerada. O ânodo CNT no dispositivo tandem é ajustado via gating iônico para se tornar um cátodo comum. O gating iônico emprega carregamento elétrico de dupla camada para diminuir a função de trabalho do eletrodo CNT. Em segundo lugar, a dificuldade de empilhar sequencialmente camadas em tandem por processamento de solução é abordada. Os dispositivos são fabricados por meio de solução e laminação a seco em condições ambientais com etapas de processamento paralelas. O método de fabricação das células poliméricas individuais, as etapas necessárias para laminar Esses resultados demonstram o gating iônico do eletrodo CNT para criar um cátodo comum e adição de corrente e eficiência como resultado do procedimento de laminação.

Introdução

Semicondutores poliméricos são os principais fotovoltaicos orgânicos (OPV) de materiais, devido à alta absortividade, boas propriedades de transporte, flexibilidade e compatibilidade com substratos sensíveis à temperatura. Dispositivos OPV eficiência de conversão de energia, η, saltaram significativamente nos últimos anos, com a eficiência de células únicas tão elevadas como 9,1% 1, tornando-se uma tecnologia de energia cada vez mais viável.

Apesar das melhorias em η, as finas ideais espessuras camada ativa dos dispositivos de limitar a absorção de luz e impedem a fabricação de confiança. Além disso, a largura espectral de absorção de luz de cada polímero é limitada em comparação com materiais inorgânicos. Polímeros de emparelhamento de diferentes sensibilidade espectral ignora estas dificuldades, fazendo com que as arquiteturas em tandem 2 a inovação necessária.

Dispositivos em tandem Series são a arquitetura conjunto mais comum. Neste projeto, um materi transporte de elétronsai, uma camada metálica opcional a recombinação, e uma camada de transporte furo ligar duas camadas independentes fotoactivos chamados sub-células. Ligando sub-células numa configuração em série aumenta a tensão do circuito aberto do dispositivo de combinação. Alguns grupos tiveram sucesso com camadas de transporte degenerately dopados 3-5, mas mais grupos usaram partículas de ouro ou prata para ajudar a recombinação de buracos e elétrons na camada intermediária 6,7.

Em contraste, tandens paralelas requerem um eléctrodo de alta condutividade, qualquer um ânodo ou cátodo, juntando-se as duas camadas activas. O intercalar deve ser altamente transparente, o que limita intercalares em tandem série contendo partículas metálicas, e mais ainda para as intercalares em tandem paralelas compostas de finos, eletrodos metálicos contínuos. Os nanotubos de carbono (CNT) folhas apresentam maior transparência do que camadas de metal. Assim, o Instituto NanoTech, em colaboração com a Universidade de Shimane, tem introduced o conceito de usar como camada intermédia do eléctrodo em dispositivos monolíticos, em tandem paralelas 8.

Esforços anteriores, caracterizado, dispositivos de conjunto OPV paralelas monolíticos de folhas CNT que funcionam como ânodos entre camadas 8,9. Estes métodos exigem um cuidado especial para evitar curto-circuito de uma ou ambas as células ou camadas anteriores prejudiciais ao depositar camadas posteriores. O novo método descrito no presente documento facilita a fabricação, colocando o eléctrodo CNT no topo das camadas poliméricas activas de duas células individuais, em seguida, laminando os dois dispositivos separados em conjunto, como mostrado na Figura 1. Este método é notável quanto o dispositivo, incluindo um aparelho de ar -stable cátodo CNT, pode ser fabricado totalmente em condições ambientais empregando apenas de processamento a seco e solução.

Folhas CNT não são intrinsecamente boas catodos, como eles exigem n-type doping para diminuir a função de trabalho, a fim de coletar os elétrons da região fotoativode uma célula solar 10. Carregamento eléctrico de dupla camada dentro de um electrólito, tal como um líquido iónico, pode ser usado para deslocar a função de trabalho dos eléctrodos CNT 11-14.

Conforme descrito num artigo anterior 15 e representada na Figura 2, quando a tensão da porta (gate V) é aumenta, a função de trabalho do eléctrodo comum CNT é diminuída, criando eléctrodo de assimetria. Isso evita coleção buraco do doador da OPV em favor da coleta de elétrons do receptor da OPV, e os dispositivos de ligar, mudando de photoresistor ineficiente em fotodiodo 15 comportamento. Deve também ser notado que a energia utilizada para carregar o dispositivo e o poder perdido devido a correntes de fuga portão é menor em comparação com a energia gerada pela célula solar 15. Gating Ionic de eletrodos CNT tem um grande efeito sobre a função de trabalho, devido à baixa densidade de estados ea altarazão entre superfície e volume, em eléctrodos CNT. Métodos semelhantes têm sido utilizados para melhorar uma barreira Schottky na interface do CNT com n-Si 16.

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Protocolo

1. Índio Tin Oxide (ITO) Padronização e Limpeza

NOTA: Use 15Ω / □ ITO vidro, e compra ou cortar o vidro ITO em tamanhos adequados para o revestimento de rotação e fotolitografia. É mais eficiente para realizar os passos 1,1-1,7 em um pedaço de vidro tão grande quanto possível, e, em seguida, cortá-la em dispositivos menores. Observe também que os passos 1,1-1,7 exigir o vidro ITO a ser orientado com o ITO-side up. Isto pode ser verificado facilmente com ajuste de resistência de um multímetro.

  1. Revestimento de spin 1 ml de S1813 fotorresistente positiva onto-ITO o lado do vidro ITO a uma velocidade de 3.000 rpm durante 1 min. Use mais resistir por grandes pedaços de vidro, certifique-se todo o vidro é revestido, e retire as bolhas antes de iniciar o coater rodada.
  2. Recozer a resistir vidro revestido, numa placa quente, a 115 ° C durante 1 min.
  3. Coloque a amostra ea fotomáscaras para o alinhador contato.
  4. Expor o vidro ITO fotossensíveis revestidos por uma aprovez disso. O tempo de exposição é de cerca de 10 segundos, mas este tempo pode variar com base na intensidade da lâmpada de UV, tipo foto-resistente, e espessura.
  5. Desenvolver os substratos expostos aos raios UV em desenvolvedor MF311. Processo automatizado de um processador de rotação produz os melhores e mais reproduzíveis resultados, mas o desenvolvimento pode ser feito manualmente, como se seguiu.
    1. Submerge os substratos expostos aos raios UV, durante 1 min no revelador, seguido de enxaguamento em água desionizada (DI) de água e secagem com uma pistola de azoto. Porque o desenvolvedor perde força rapidamente, substitua o desenvolvedor entre as amostras, ou, alternativamente, aumentar o tempo de desenvolvimento ao reutilizar desenvolvedor.
  6. Etch os substratos de ITO em ácido clorídrico concentrado (HCl). Isto leva entre 5-10 min, dependendo da concentração do HCl. Enxágüe em água DI, seco, e testar a resistividade das porções gravadas com um multímetro. Se qualquer condutividade permanece, etch para um tempo mais longo.
  7. Uma vez que o ataque é concluída, remova o photoresist com acetona. Note-se que a remoção imediata do photoresist impede HCl residual do excesso de gravura do ITO padronizada.
  8. Se necessário, corte as gravadas substratos de vidro ITO em tamanhos de dispositivos.
  9. Limpar os substratos de ITO em um banho de ultrasonicator numa sequência de solventes - água DI, acetona, tolueno, metanol e, finalmente, o álcool isopropílico.

2. OPV fabricação de células Sub

  1. Prepare P3HT: PC 61 solução BM.
    NOTA: Para obter os resultados mais consistentes, preparar as soluções em um ambiente de nitrogênio. É possível seguir este procedimento em condições ambientais.
    1. Encontre e anote a massa de dois limpo, ~ 4 ml frasco de vidro e suas tampas, e marcá-los com um marcador permanente para distingui-los dos outros.
    2. Numa caixa de luvas de azoto ou árgon, transferir aproximadamente 10 mg de poli (3-hexiltiofeno-2,5-di-il) (P3HT) para um frasco e cerca de 10 mg de fenil-C 61 éster metílico de ácido butírico (PC 61 BM) para o outro.
    3. Pesar os frascos de novo para encontrar a massa do P3HT e PC 61 BM.
    4. Transfira os frascos com P3HT e PC 61 BM em uma caixa de luvas para o resto do processo de tomada de solução.
    5. Adicionar uma barra de agitação magnética em cada frasco e, em seguida, adicionar a cada clorobenzeno suficiente para criar soluções de 45 mg / ml.
    6. Colocar as soluções em uma placa de agitação magnética quente a 55 ° C durante aproximadamente 2 horas ou até que os solutos se ter dissolvido completamente.
    7. Misturar volumes iguais de P3HT e PC 61 BM soluções em conjunto, e deixar a celeuma solução mista por mais uma hora antes de usar.
  2. Prepare PTB7: PC 71 solução BM.
    1. Repita os passos 2.1.1 a 2.1.4 com poly({4,8-bis[(2-ethylhexyl)oxy]benzo[1,2-b:4,5-b′]dithiophene-2,6-diyl}{3-fluoro-2-[(2-ethylhexyl)carbonyl]thieno[3,4-b]thiophenediyl}) (PTB7) e fenil-7,1-butírico éster metílico do ácido (BM PC 71) em vez de PC e P3HT61 BM.
    2. Fazer uma mistura de 3%, em volume, 1,8-diiodooctane (DIO) em clorobenzeno. Esta mistura é chamado o DIO-CB.
    3. Adicionar uma barra de agitação magnética em cada frasco e, em seguida, adicionar o suficiente DIO-CB para o frasco PTB7 ter uma solução de 12 mg / ml e suficiente DIO-CB para o PC 71 BM frasco ter um / ml de solução a 40 mg.
    4. Deixar estas soluções agitar numa placa quente a 70 ° C durante dois dias.
    5. Misturar as soluções em uma proporção em peso de PTB7 ao PC 71 BM de 1 a 1,5.
    6. Deixe a solução mista de agitação durante outra hora a 70 ° C antes de usar.
  3. Filtro de poli (3,4-etilenodioxitiofeno): poli (estirenossulfonato) (PEDOT: PSS) através de um filtro de 0,45 um de tamanho de poro de nylon. Note que este procedimento usa P VP AI4083.
  4. Brasão rotação camadas ativas.
    1. Coloque substratos de ITO limpas, ITO voltado para cima, em um limpador de UV-Ozônio por 5 min.
    2. Spin-coat 120 ul do PEDOT: PSS filtrada para UV-ozônio tratada, modelado ITO- substrato de vidros a 3000 rpm durante 1 min. Isto deve produzir uma camada de 30 nm de espessura.
    3. Recozer o PEDOT: PSS substratos de ITO revestidas durante 5 min a 180 ° C.
    4. Spin-coat 70 ul da P3HT mista: PC 61 BM solução para PEDOT: PSS revestido ITO substratos em cerca de 1.000 rpm por 1 min. Varie o ritmo que precisava depositar uma camada ativa nm de espessura 200.
    5. Recozer o P3HT: substratos revestidos BM PC 61 a 170 ° C durante 5 min. Os resultados podem variar na temperatura de recozimento óptima.
    6. Spin-coat 70 ul da PTB7 mista: PC 71 BM solução para PEDOT: PSS revestido ITO substratos em aproximadamente 700 rpm por 1 min. Varie o ritmo que precisava depositar uma camada ativa de espessura nm 100.
    7. Carregar o PTB7: PC 71 BM substratos revestidos em alto vácuo (<2 x 10 -6 Torr) para remover a câmara de DIO residual. Tipicamente, deixar as amostras na câmara de O / N.

3. Fabricar o Dispositivo Tandem

  1. Eletrodos laminado CNT.
    1. Corte os substratos PTB7 e P3HT ao meio para fazer um dispositivo tandem. Um padrão de ITO especializada não seria necessário este passo. O padrão de ITO deve ter pelo menos dois eletrodos ITO paralelo que se estende a partir de uma borda para um milímetro de distância da outra.
    2. Em primeiro lugar preparar a PTB7 e substratos P3HT revestidos por polímero e enxugando PEDOT a partir das bordas do vidro, e expor a tira de ITO que irá ser utilizado como eléctrodo comum como visto no primeiro painel da Figura 1.
    3. Laminado o eléctrodo comum CNT no topo dos eléctrodos e PTB7 P3HT. Aplicar um filme SWCNT colocando lado a CNT do papel de filtro sobre o dispositivo, pressionando suavemente, e, em seguida, descascar o papel de filtro afastado. Isto é mostrado no segundo painel da Figura 1.
    4. Densificar o CNT eléctrodo para a superfície por aplicação de metoxi-nonafluorobutane (C 4 F 9 OCH3) (HFE) e revestindo o CNT com uma pequena amount do líquido e, em seguida, deixá-lo secar.
    5. Enxugar o polímero e CNT no topo do vidro ITO e que terá o eléctrodo de porta, como mostrado no terceiro painel da Figura 1. Remover todo o polímero a partir do vidro para evitar a perda de porta com uma lâmina de barbear.
    6. Laminar o eléctrodo de porta CNT para a área limpa dos substratos PTB7 e P3HT revestidos. Laminar o MWCNT puxando a partir da borda da floresta MWCNT com uma lâmina de barbear e deixe a folha ficar livremente entre alguns tubos capilares. Passe o dispositivo através da folha autoportante para laminar o CNT para o dispositivo. O eléctrodo de porta deve ter 2-3 vezes o número de camadas como definido sobre o eléctrodo comum.
    7. Densificar o eletrodo de porta com HFE.
  2. Colocar uma pequena gota (≈10 ul) do líquido iónico, N, N-dietil-N-metil-N - (2-metoxietil) tetrafluoroborato de amónio, DEME-BF 4, na parte superior de ambos os eléctrodos de um CNTdos substratos.
  3. Coloque cuidadosamente o substrato sem líquido iónico em cima do substrato com um líquido iónico com os eléctrodos de porta e comuns em cima uns dos outros,. Isto é mostrado no último painel da Figura 1.
  4. Coloque uma fotomáscara com um tamanho de abertura mais pequeno do que o tamanho do eléctrodo sobre a área activa. Use pequenos grampos para segurar a foto-mascara no local, bem como para manter o dispositivo em conjunto durante o teste.

4. Meça o Dispositivo

  1. Transferir o dispositivo para dentro do porta-luvas de medição.
  2. Faça as conexões elétricas.
    1. Ligue a fonte de alimentação portão entre o eletrodo comum eo eletrodo de porta com o comum como chão.
    2. Ligar os dois ânodos de ITO a fios que estão ligados a um comutador, o qual permite a selecção de um ou outro ou ambos os ânodos ânodo.
    3. Conecte a saída do interruptor para a entrada da unidade de medida de origem.
    4. Conecte-se ao chão dos meas fonteunidade ure ao eletrodo comum.
  3. Meça as características do dispositivo IV, repetindo os seguintes passos para ascender V Gate.
    1. Definir V Portão para o próximo valor, a partir de V Portão = 0 V para V = Portão 2 V em incrementos de 0,25 V.
    2. Esperar 5 min ou até que a corrente de porta é estabilizado. Idealmente, a corrente de porta deve se estabilizar em torno de 10s de nanoamperes.
    3. Ajuste a chave para ambos os sub-células.
    4. Abra o obturador da lâmpada.
    5. Execute uma varredura de tensão na unidade de medida fonte de volts -1 a 1 volt em cerca de 100 incrementos ou mais.
    6. Execute uma varredura de tensão de 1 volt para -1 volt.
    7. Feche o obturador da lâmpada.
    8. Execute as varreduras de tensão novamente.
    9. Ajuste a chave para o sub-celular da frente.
    10. Repita os passos 4.3.4 a 4.3.8.
    11. Ajuste a chave para o sub-celular de volta.
    12. Repita os passos 4.3.4 a 4.3.8.
  4. Calcular os parâmetros do dispositivo.
    1. Encontrar a corrente de curto-circuito (J SC) de cada sub-celular em cada V porta, encontrando a corrente produzida pelo dispositivo quando a tensão através do sub-celular é 0 V.
    2. Encontrar a tensão de circuito aberto (V OC) de cada sub-celular em cada porta, encontrando V a voltagem produzida pelo dispositivo quando a corrente através do sub-celular é 0 A.
    3. Encontrar a potência máxima de saída a partir da célula solar, multiplicando cada valor de tensão com cada valor actual e seleccionando o valor máximo (mais negativo). Isso pressupõe que mede gerada por foto atual atual como negativo.
    4. Encontre a eficiência de conversão de energia (η), dividindo a potência máxima pelo poder da luz de entrada.
    5. Encontrar o factor de enchimento (FF) é calculada dividindo a força máxima por o produto de J SC e V OC.

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Resultados

Um dispositivo conjunto formado a partir de polímeros, particularmente polímeros de lacunas banda significativamente diferenciados, diferindo é de interesse prático como esses dispositivos podem absorver a maior faixa espectral da luz. Nesta estrutura do dispositivo, o sub-celular PTB7 é a célula de volta e P3HT-se do sub-celular da frente. Este destina-se a absorver a maior quantidade de luz como o sub-celular P3HT é em grande parte transparente para a luz de comprimento de onda mais absorvida pelo sub-celular PTB7. Po...

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Discussão

Os resultados destacam algumas considerações ao projetar células solares em série paralelo. Notavelmente, se uma das sub-células é um mau desempenho, o desempenho do conjunto de afetados negativamente. Os resultados mostram que existem dois efeitos principais. Se uma sub-célula é curto, por exemplo, mostra um comportamento ôhmico, a FF T haverá maior do que o FF da sub-célula ruim. J T SC e V T OC serão igualmente afetados. Este é o caso quando Portão<...

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Divulgações

Os autores não têm nada a divulgar.

Agradecimentos

O suporte para este trabalho foi fornecido pelo DOE STTR grant DE-SC0003664 em Células Solares Orgânicas Paralelas em Tandem com Camadas Intercalares de Folha de Nanotubos de Carbono e Welch Foundation grant AT-1617. Os autores agradecem a J. Bykova por fornecer florestas da CNT e a A. R. Howard, K. Meilczarek e J. Velten pela assistência técnica e discussões úteis.

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Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
Poli(3,4-etilenodioxitiofeno):p olimo-(estirenossulfonato)HeraeusClevios PVP AI 4083
poli(3-hexiltiofeno-2,5-diil) Rieke Metals  Inc.P3HT:  P200
fenil-C61-butírico  ácido metil  éster1- MaterialPC61BM
Poli({4,8-bis[(2-etilhexil)oxi]benzo[1,2-b:4,5-b′]Ditiofeno-2,6-diil}{3-fluoro-2-[(2-etilhexil)carbonil]tieno[3,4-b]tiofenodiilo}) 1- MaterialPTB7
fenil-C61-butírico ácido metil  ésterSolennePC71BM
1,8-DiiodooctanoSigma Aldrich250295
Clorobenzenode Índio SigmaAldrich
15 Ohm/SQLumtec
S1813UTD Sala Limpa
MF311UTD Sala
HClUTD Acetona
FisherScientificA18-20
ToluenoFisher ScientificT323-20
MetanolBDHBDH1135-19L
IsopropanolFisher ScientificA416-20
CEE SpincoaterBrewer Scientifichttp://www.utdallas.edu/research/cleanroom/tools/CEESpinCoater.htm
Impressora de ContatoQuintelQ4000-6http://www.utdallas.edu/research/cleanroom/QuintelPrinter.htm
CPK Processadorhttp://www.utdallas.edu/research/cleanroom/tools/CPKsolvent.htm
Revestidor de RotaçãoLaurellWS-400-6NPP/LITE
[header]
Porta-luvasM-BraunLab Master 130
SolarSimulator Thermo Oriel/Newport
Keithley 2400 SMUKeithley/Techtronix2400
Keithley 7002 MultiplexadorKeithley/Techtronix7002
Limpador UltrassônicoKendalHB-S-49HDT
MicropipetaEppendorf200 µ l
Vidro Revestido com Óxido de Estanho 284513 Limpa de Rotação

Referências

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  4. Yu, B., Zhu, F., Wang, H., Li, G., Yan, D. All-organic tunnel junctions as connecting units in tandem organic solar cell. Journal of Applied Physics. 104 (11), (2008).
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  15. Cook, A. B., Yuen, J. D., Zakhidov, A. Electrochemically gated organic photovoltaic with tunable carbon nanotube cathodes. Applied Physics Letters. 103 (16), (2013).
  16. Wadhwa, P., Liu, B., McCarthy, M. A., Wu, Z., Rinzler, A. G. Electronic Junction Control in a Nanotube-Semiconductor Schottky Junction Solar Cell. Nanoletters. 10 (12), 5001-5005 (2010).

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