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Artigo de método

Controle de morfologia para células solares Bulk-heterojunção orgânico-inorgânico totalmente Printable Baseado em um Ti-alcóxido e semicondutores Polymer

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DOI:

10.3791/54923

⸱

10 de janeiro de 2017

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

Neste artigo

Resumo

Um método para, células totalmente imprimíveis, livre de fulereno, altamente estável ao ar bulk-heterojunção solares com base em alcóxidos de Ti como o receptor de elétrons e a fabricação do polímero dador de electrões é descrito aqui. Além disso, um método para controlar a morfologia da camada de fotoactivo através da grosseria molecular das unidades de Ti-alcóxido é relatado.

Resumo

A camada fotoativa de uma célula solar típica de heterojunção em massa de filme fino orgânico (BHJ) geralmente usa derivados de fulereno como material de aceitação de elétrons. No entanto, os derivados do fulereno são sensíveis ao ar; portanto, material estável ao ar é necessário como alternativa. No presente estudo, propomos e descrevemos as propriedades do Ti-alcóxido como um material alternativo de aceitação de elétrons aos derivados de fulereno para criar células solares BHJ altamente estáveis ao ar. Sabe-se que o controle da morfologia na camada fotoativa, que é construída com derivados de fulereno como aceptor de elétrons, é importante para a obtenção de uma alta eficiência geral através do método do solvente. O método convencional de solvente é útil para materiais de alta solubilidade, como derivados de fulereno. No entanto, para os Ti-alcóxidos, o método convencional do solvente é insuficiente, porque eles só se dissolvem em solventes específicos. Aqui, demonstramos uma nova abordagem para o controle da morfologia que usa o volume molecular dos ti-alcóxidos sem o método convencional de solvente. Ou seja, este método é uma abordagem para obter células solares de heterojunção em massa orgânica-inorgânica altamente eficientes, estáveis ao ar.

Introdução

Dispositivos fotovoltaicos orgânicos são considerados fontes de energia renováveis promissoras devido ao seu baixo custo de produção e peso leve 1-7. Devido a estas vantagens, um grande número de cientistas foram imersos nesta área promissora. Na última década,-dye sensibilizados, orgânicos de película fina, e as células solares sensibilizadas por perovskita alcançaram progressos significativos na eficiência de conversão de energia nesta área 8.

Especificamente, as células solares de película fina orgânicos e tecnologia de célula solar orgânica BHJ de película fina são soluções eficientes e de baixo custo para a utilização da energia solar. Além disso, a eficiência de conversão de energia atingiu mais de 10% com o uso de polímeros de baixa band-gap como os derivados de dador electrónico e de fulereno como o aceitador de electrões (fenil-C 61 butírico-ácido-metil éster: [60] ou PCBM fenil-C 71 butírico-ácido-metil éster: [70] PCBM) 9-11. Além disso, alguns pesquisadores hav já relatado a importância da estrutura BHJ na camada fotoactiva, a qual é construída com polímeros de baixa band-gap e derivados de fulereno para obter um elevado rendimento global. Contudo, os derivados de fulereno são sensíveis ao ar. Portanto, um material aceitador de electrões estável ao ar é necessária como uma alternativa. Alguns relatórios sugeriram anteriormente novos tipos de células fotovoltaicas orgânicas que costumavam n-tipo polímeros semicondutores ou óxidos metálicos como receptores de elétrons. Estes relatórios apoiou o desenvolvimento de, células de ar estável livre de fulereno orgânicos de película fina solares 12-15.

No entanto, em contraste com sistemas de fulereno ou sistemas de polímeros semicondutores tipo n, a obtenção de um desempenho satisfatório da estrutura BHJ na camada fotoactivo, que tem a separação da carga e capacidade de transferência de carga, é difícil em sistemas de óxido de metal 16-17. Além disso, os derivados de fulereno e polímeros semicondutores do tipo n tem alta solubilidadeem muitos solventes. Portanto, é fácil de controlar a morfologia da camada fotoactivo selecionando uma solução de tinta como o solvente, que é o precursor da camada fotoactivo 18-20. Em contraste, no caso de sistemas de alcóxido de metal usado em combinação com um polímero de dador de electrões, ambos os semicondutores são insolúveis em quase todos os solventes. Isto é porque os alcóxidos de metais não têm uma elevada solubilidade no solvente. Portanto, a selectividade de solventes para controle da morfologia é extremamente baixa.

Neste artigo, apresentamos um método para controlar a morfologia da camada fotoativo usando bulkiness molecular para fabricar células solares BHJ imprimíveis e altamente estável ao ar. Descrevemos a importância do controle da morfologia para o progresso das células solares BHJ livre de fulereno.

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Protocolo

1. Preparação de Indium-óxido de estanho (ITO) de vidro para fabricação de células solares

  1. Corte o substrato de ITO / vidro.
    1. Utilizando um cortador de vidro, cortar o substrato de ITO / vidro (10 cm x 10 cm) em pedaços de aproximadamente 2 cm × 2 cm.
  2. Quimicamente gravar a camada condutora de ITO.
    1. Usando um multímetro digital, verifique se a parte superior da peça ITO / vidro tem um lado condutor.
    2. Colocar fita adesiva em ambos os lados da peça de ITO / vidro, deixando uma zona central de 2 mm x 2 cm no meio. Usando a fita de máscara, proteger o restante da camada condutora de ITO do ataque químico.
    3. Verter algumas gotas de HCl (1 M) para a camada condutora de ITO para remover a camada condutora de ITO a partir da superfície da peça de ITO / vidro. Depois de cerca de 3 min, limpe o HCl com um cotonete, e em seguida, remover a fita adesiva.
  3. Pretreat a peça ITO / vidro.
    1. Coloque os pedaços de vidro / ITO em umcaixa de vidro e preencha o caso com água.
    2. Coloque a caixa de vidro em um banho de água que é dois terços cheio de água e anexar um limpador ultra-sônico. Em seguida, ligar o limpador ultra-sônico por cerca de 15 min para remover os poucos vestígios de etchant química restantes na peça ITO / vidro. Lavar estas peças num banho de ultra-sons com água, acetona, e álcool isopropílico, respectivamente, durante 15 min cada, e em seguida secá-los numa corrente de ar seco. Execute ultra-som com uma frequência de oscilação de 42 kHz.
    3. Coloque as peças ITO / vidro dentro de uma ultravioleta em ozono (UV-O 3) e líquido de limpeza executar a máquina durante 30 min.

2. Preparação da solução precursora para a camada fotoactivo

  1. Dissolve-se 0,5 mg de poli [2,7- (9,9-dioctylfluorene) alt-4,7-bis (tiofen-2-il) benzo-2,1,3-tiadiazole] (PFO-DBT) como um electrão dador e 1,0 mg de Ti-alcóxido, em 1 mL de clorobenzeno. Selecione as seguintes Ti-alcóxidos como elétronsaceitadores: Ti (IV), etóxido, butóxido de potássio, e o polímero butóxido de potássio. Em seguida, dissolve-se 0,5 mg de PFO-DBT e 1,0 mg de [60] PCBM em 1 mL de clorobenzeno como referência.
    NOTA: Aqui, os níveis HOMO-LUMO são os seguintes 21. PFO-DBT: 5,4-3,53 eV, Ti (IV): 7,49-3,86 eV, etóxido: 7,55-3,90 eV, butóxido: 7,53-3,76 eV, e butóxido polímero: 7,57-3,83 eV.
  2. Em um agitador magnético quente, aquecer a solução precursora de 70 ° C enquanto se agitava com uma barra de agitação a uma velocidade de rotação de 700 rpm. Fazer isso durante 20 min na ausência da luz, até que a solução é visualmente clara a olho nu. Arrefece-se a solução até à temperatura ambiente, mais uma vez, na ausência de luz, para uso futuro.

3. fabricação da Camada de fotoactivo

  1. Depositar o filme de spin-coating.
    1. Aquece-se a solução precursora da camada fotoactivo e a peça de ITO / vidro a 70 ° C. Para 10 min, aquecer a solução precursora de uma celeuma quente magnéticarer aquecida a 70 ° C e utilizar uma barra de agitação a uma velocidade de rotação de 700 rpm. Aquecer a peça de ITO / vidro numa placa quente cerâmica aquecido a 70 ° C durante 5 min.
    2. Coloque a peça de ITO / vidro no centro da fase de vácuo do revestidor de rotação, aquecê-lo com uma pistola de calor para cerca de 70 ° C, e ligar o vácuo.
      NOTA: O vácuo é criado usando uma bomba de vácuo com uma velocidade de bombeamento de 30 L / min. A pressão final da bomba de vácuo é de 26,6 x 10 3 Pa.
    3. Verter algumas gotas de solução precursora da camada fotoactivo para o pedaço de ITO / vidro e iniciar a rotação no revestidor 2,000-6,000 rpm durante 60 s em ar.
      NOTA: O volume de solução precursora é de 0,5 ml, medidos com um spuit 1-mL.
    4. Seca-se a superfície da camada de fotoactivo durante 10 min à temperatura ambiente numa atmosfera de ar na ausência de luz para se obter uma película de 50 nm de espessura como a camada de fotoactivo.
  2. Retire a película extra.
    1. Limpe o phot adicionaloactive camada a partir da superfície da peça de ITO / vidro com uma cotonete humedecida com clorobenzeno.
    2. Seca-se a camada fotoactivo novamente durante 10 min à temperatura ambiente numa atmosfera de ar na ausência de luz.
      NOTA: A temperatura da nossa experiência é mantida a 25 ° C.

4. Fabrico do eléctrodo

  1. Imprimir o eletrodo orgânico.
    1. Usando uma impressora da tela, imprimir um eletrodo orgânico, colocando poli (3,4-etilenodioxitiofeno) poli (estireno) (PEDOT-PSS) sobre a camada fotoativo 22. A máscara de metal é de 50 mm de espessura e área de impressão é de 5 mm × 20 mm.
    2. Seca-se o eléctrodo orgânica durante 30 minutos à temperatura ambiente numa atmosfera de ar na ausência de luz.

5. Laminação para as células solares

  1. Corte o substrato de vidro em pedaços com dimensões de 1,5 cm × 2,5 cm, usando um cortador de diamante. Espalharuma resina epoxi sobre o substrato de vidro usando uma espátula de plástico. Colocar o substrato de vidro com resina epoxi sobre a camada fotoactivo para protegê-la.

6. Preparação para medir o desempenho de células solares

  1. Limpe os eléctrodos, limpando-os com um cotonete molhado com acetona. Anexar um eletrodo de apoio para o ITO usando um sistema de soldagem ultra-sônica. Operar o ferro de solda com uma frequência de 42 kHz e a 230 ° C.

7. Medição do Desempenho da célula solar

  1. Medem-se as características de corrente-tensão (JV) das células solares, utilizando um sistema de corrente-tensão de corrente contínua fonte de monitor / integrado, com o simulador solar calibrado para proporcionar uma AM1.5G simulada de 100 mW / cm2 pelo fotodiodo de silício.
    NOTA: Informações mais detalhadas sobre a medição das curvas JV pode ser encontrada em outro lugar 23, 24.

8. Analysis da estrutura Phase-separação

  1. Prepare filmes individuais de camadas fotoactivos construídos com Ti-alcóxido e PFO-DBT, usando mesmo método para a fabricação de células solares, sem o eléctrodo orgânica e sem o processo de laminação.
  2. Usar um microscópio óptico ou um microscópio electrónico de varrimento (SEM) para observar a morfologia da camada de fotoactivo a uma ampliação elevada (50.000 x), a fim de analisar a estrutura de separação de fases.
    NOTA: Informações mais detalhadas sobre a operação SEM pode ser encontrada em outro lugar 25, 26.

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Resultados

Nós apresentamos um protocolo para a fabricação de células plenamente imprimíveis orgânicos-inorgânicos BHJ solares, bem como um método para controlar a estrutura de separação de fases. O desempenho de células solares tem sido extensivamente investigado 27-31 quando Ti (IV) e etóxido foram usadas como materiais de aceitador de electrões (Figura 1). Estas células solares exibiu uma densidade de corrente de curto-circuito (Jsc) que é cerca de oito vezes mais ele...

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Discussão

A fim de utilizar voluminosidade da molécula no presente método, é importante conhecer as condições para a formação de película por revestimento por centrifugação. Em primeiro lugar, os do tipo p e do tipo n semicondutores deve ser capaz de ser dissolvida nos solventes. Quando algum material permanece, ele se tornará o grande núcleo dos domínios na camada fotoativo. A utilização de um filtro comercial adequada de solventes individuais é recomendado para remover o restante material. Em seguida, a solução precursora em qu...

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Divulgações

Os autores declaram que não têm interesses financeiros concorrentes.

Agradecimentos

Este trabalho foi parcialmente apoiado por JSPS KAKENHI Grant número 25871029, a Fundação Nippon Sheet Glass para a Ciência e Engenharia de Materiais, eo Centro de Promoção industrial Tochigi. O Instituto Nacional de Tecnologia, Oyama College, também ajudou com as despesas de publicação deste artigo.

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Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
Isopropóxido de Ti(IV), 97%Sigma Aldrich205273
Etóxido de Ti(IV)Sigma Aldrich244759
Butóxido de Ti(IV) de grau técnico, 97%Sigma Aldrich244112
Polímero de butóxido de Ti(IV)Sigma Aldrich510718
Poli[2,7-(9,9-dioctilfluoreno)-alt-4,7-bis(tiofeno-2-il)benzo-2,1,3- tiadiazol] (PFO-DBT)Sigma Aldrich754013
[6,6]-fenil-C61-butírico ácido éster metílico ([60]PCBM) 99,5%Sigma Aldrich684449
Poli(3,4-etilenodioxitiofeno)-poli(estirenossulfonato) de grau de pesquisa (PEDOT-PSS)HeraeusClevios S V3
1 N Ácido clorídricoWako083-01095
Clorobenzeno 99,0%Wako032-07986
Acetona 99,5%Wako016-00346
Substrato de vidro revestido com óxido de índio-estanho (ITO)Geomatec0002100 vezes; 100 vezes; 1.1t (mm)
Substrato de vidroMatsunami GlassS721376 &vezes; 26 vezes; 1.2t (mm)
Cauda de algodão Como um1-8584-16
Resina epóxiNichibanAR-R30
Espátula de plásticoComo um2-3956-02
Limpador ultrassônicoComo umAS482
Agitador magnéticoquente Como umRHS-1DN
Placa de aquecimento de cerâmicaComo umCHP-17DN
Revestidorde rotaçãoKyowarikenK-359 S1
Bomba de vácuoULVACDA-30S
UV-O3 limpadorFilgenUV253E
Impressora de telaMitani ElectronicsMEC-2400
Sistema de solda ultrassônicaKuroda TechnoSUNBONDER USM-5
Tensão de corrente contínua e fonte/monitor de corrente integrado sistemaSan-Ei ElectricXES-40S1
Microscópio eletrônico de varreduraJEOL Ltd.JSM-7800
de grau reagente

Referências

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