Artigo de método

Bem alinhados verticalmente orientado ZnO Nanorod matrizes e sua aplicação em invertida pequena molécula células solares

DOI:

10.3791/56149

⸱

25 de abril de 2018

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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

Neste artigo

Resumo

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Este manuscrito descreve como projetar e fabricar SMPV1:PC invertido eficientes células solares de71BM com ZnO nanorods (NRs), cultivadas em uma camada de sementes de ZnO dopado com Al (AZO) de alta qualidade. O bem alinhados verticalmente orientado ZnO NRs exposição elevadas Propriedades cristalinas. A eficiência de conversão de energia de células solares pode chegar a 6,01%.

Resumo

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

Este manuscrito descreve como projetar e fabricar invertidas células solares eficientes, que são baseadas em uma molécula pequena conjugada bidimensional (SMPV1) e [6,6] - fenil - C71-éster metílico de ácido butírico (PC71BM), utilizando ZnO nanorods (NRs) crescido em uma camada de sementes de ZnO dopado com Al (AZO) de alta qualidade. As células solares de71BM SMPV1:PC invertido com ZnO NRs que cresceu em ambos uma camada sputtered e sol-gel semente AZO transformados são fabricadas. Comparado com a película fina AZO, elaborada pelo método sol-gel, a película fina AZO sputtered exibe melhor cristalização e rugosidade da superfície inferior, de acordo com difração de raios x (XRD) e medições de força atômica (AFM) de microscópio. A orientação do NRs de ZnO cultivadas em uma camada de sementes AZO sputtered mostra melhor alinhamento vertical, que é benéfico para a deposição da camada ativa subsequente, formando a melhores superfície morfologias. Geralmente, a morfologia superficial da camada ativa principalmente domina o fator de preenchimento (FF) dos dispositivos. Consequentemente, as NRs de ZnO bem alinhados pode ser usado para melhorar a coleção de porta-aviões da camada ativa e aumentar o FF das células solares. Além disso, como uma estrutura de antireflexo, também pode ser utilizada para aumentar a luz da colheita da camada de absorção, com a eficiência de conversão de energia (PCE) de células solares atingindo 6,01%, maior do que o sol-gel à base de células solares com uma eficiência de 4,74 %.

Introdução

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Dispositivos de (OPV) fotovoltaicos orgânicos recentemente foram submetidas a notável evolução na aplicação das fontes de energia renováveis. Tais dispositivos orgânicos têm muitas vantagens, incluindo a compatibilidade do processo de solução de baixo custo, de pouco peso, flexibilidade, etc.1,2,3,4,5 até agora, células solares de polímero (EPS) com um PCE de mais de 10% foram desenvolvidas utilizando os polímeros conjugados misturados com PC71BM6. Comparado ao PSCs baseado em polímero, pequenas molécula base OPVs (SM-OPVs) têm atraído mais atenção quando se trata de fabricar OPVs devido às suas várias vantagens distintas, incluindo estruturas químicas bem definidas, síntese facile e purificação, e geralmente mais elevada tensão de circuito aberto (Voc)7,8,9. Neste momento, uma estrutura de 2-D conjugados pequena molécula 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) com BDT-T (benzo [1,2-b:4, 5-b'] dithiophene) como a unidade do núcleo e 3-octylrodanine como o elétron-retirando final-grupo10 tem sido projetada e utilizada para mistura com PC71BM para aplicação de OPVs sustentável promissora. O PCE de células solares de molécula pequena convencional (SM-OPVs) baseado no SMPV1 misturado com PC71BM atingiu mais de 8,0%10,11.

No passado, EPS podem ser aprimorados e otimizados simplesmente ajustando a espessura da camada ativa. No entanto, ao contrário de EPS, SM-OPVs em geral têm um menor comprimento de difusão, o que limita consideravelmente a espessura da camada ativa. Portanto, para aumentar a densidade de corrente de curta (Jsc) de SM-OPVs, utilizar o nano-estrutura12 ou NRs9 para melhorar a absorção óptica de SM-OPVs tornou-se necessário.

Entre esses métodos, a estrutura de NRs anti-reflexo é geralmente eficaz para colheita luz da camada ativa ao longo de uma ampla gama de comprimentos de onda; Portanto, saber como crescer bem alinhados verticalmente orientado de óxido de zinco (ZnO) NRs é muito crítico. A rugosidade da superfície da camada abaixo da camada de ZnO NRs de sementes tem uma grande influência sobre a orientação das matrizes de NR; Portanto, para depositar NRs bem orientadas, a cristalização da camada de sementes deve ser precisamente controlada9.

Neste trabalho, os filmes AZO são preparados por rádio-frequência (RF), técnica que sputtering. Em comparação com outras técnicas, que sputtering RF é conhecido por ser uma tecnologia eficiente que é transferível a indústria, por isso é uma técnica de deposição de confiança, que permite a síntese de alta pureza, uniforme, Lisa e auto-sustentável AZO filmes finos para crescer sobre substratos de grande área. Utilizar o depoimento que sputtering RF permite a formação de filmes de alta qualidade AZO que apresentam alta cristalização com menor rugosidade da superfície. Portanto, na camada de crescimento subsequente, as orientações dos NRs altamente estão alinhadas, ainda mais assim, quando comparado com filmes de ZnO, elaborados pelo método sol-gel. Usando esta técnica, o PCE das células solares invertida pequena molécula com base em matrizes de ZnO NR bem alinhados verticalmente orientados pode chegar a 6,01%.

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Protocolo

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1. crescimento da camada de sementes Sputtered AZO em substrato de ITO

  1. Fique 4 pedaços de fita anticorrosiva (0.3 x 1,5 cm) de um lado do substrato índio óxido de estanho (ITO) para formar um quadrado (1,5 x 1,5 cm). Colocar o ITO em ácido clorídrico por 15 min gravar a área exposta de ITO.
  2. Remova a fita e limpar a amostra usando um sonicador; proceda à sonicação com deionizada (DI) de água, acetona, etanol e isopropanol, por sua vez por 30 min cada. Secar o ITO estampado com uma arma de nitrogênio comprimido.
  3. Anexar os substratos limpos de ITO estampados no porta substrato por fita e carregar o titular na câmara principal do RF sistema que sputtering. Bomba a pressão da câmara para abaixo de 4 x 10-6 torr através da mecânica e da bomba de difusão para assegurar a pureza ambiental.
  4. Inserir o gás argônio puro (taxa de fluxo: 30 sccm) para a câmara principal e o controle da bomba para manter a pressão da câmara em 1 mtorr.
  5. Prepare as camadas de sementes AZO usando o RF (13,56 MHz) método, baseado no método relatado13que sputtering. Use uma dimensão circular de 2 em AZO alvo de cerâmica (2 wt % Al2O3 em ZnO) para depositá-los em substratos de vidro previamente limpos ITO. Manter a distância do alvo-para-substrato a 10 cm.
  6. Manter a pressão de trabalho em 1 mtorr e potência de RF em 40 W durante o depoimento. Controle a temperatura do substrato à temperatura ambiente. Defina o viés DC aplicado e taxa de deposição para 187 V e 4 nm/min, respectivamente, para depositar a película fina AZO. A espessura da camada de sementes AZO deve ser controlada em 40 nm baseia o monitor de espessura de cristal de quartzo.
  7. Depois que a amostra esfria até 30 ° C, na câmara, desligue a bomba e insira o gás nitrogênio na câmara principal até a câmara pode ser aberta. Retire a amostra do titular do substrato.

2. crescimento do Sol-gel processados camada de ZnO semente no substrato de ITO

  1. Deposite a camada de sementes de ZnO no substrato ITO modelado pela rotação do sol-gel revestimento método14. A monoetanolamina (MEA), 2-methoxethanol e dihidrato de acetato de zinco são usados como a partida materiais, solvente e estabilizador, respectivamente.
    1. Dissolva o acetato de zinco dihidratado (4,39 g) em uma mistura de 2-methoxethanol (40 mL) e MEA (1,22 g) para obter a concentração de acetato de zinco de 0,5 M.
    2. Agite a mistura resultante a 60 ° C por 2 h. Deixe o sol descansar por 12 h formar uma solução homogênea, clara e transparente.
    3. Deposite a camada de sementes de ZnO em substratos de vidro limpadas ITO modelado usando o método de revestimento de rotação. Adicionar 0,1 mL de solução de sol-gel sobre o substrato e girar a 3.000 rpm por 30 s usando um aplicador de rotação.
    4. Após rodada revestimento, seca o filme a 200 ° C por 30 min em uma chapa quente para permitir que o solvente evapore e remover os resíduos orgânicos. A espessura da camada de sementes de ZnO deve ter cerca de 40 nm14.

3. crescimento de ZnO NR matriz em uma camada de sementes

  1. Cresce a matriz de ZnO NR usando o método hidrotermal.
    1. Mix 1,49 g hexaidrato de nitrato de zinco (Zn (NO3)2·6H2O) e hexametilenotetramina 0,7 g (HMT) (C6H12N4) no DI de 100 mL de água. Agite a mistura resultante em temperatura ambiente por 30 min.
    2. Anexe o lado ITO da camada de sementes sputtered AZO com as amostras de sol-gel de ZnO ao vidro tampa usando a fita. Colocar as amostras em um 50 mL polipropileno tubo cônico preenchido com a solução de 50 mL de Zn (NO3)2·6H2O e HMT.
    3. Durante o crescimento, aqueça o tubo cônico polipropileno colocando isso horizontalmente em um forno de laboratório com as amostras de rotação revestida virada para baixo e manter a temperatura a 90 ° C por 90 min.
    4. No final do período de crescimento, retire os substratos da solução e enxaguar imediatamente a superfície da amostra com água e etanol (dentro de duas garrafas de lavagem), por sua vez para 1 min cada para remover o sal residual da superfície. Secar a amostra usando uma arma de nitrogênio comprimido e cozê-lo num prato aquecido a 250 ° C por 10 min.

4. fabricação e medição de células solares de molécula pequena invertido

  1. Carrega o substrato ITO com a matriz de ZnO NR para um aplicador girar no porta-luvas. Misturar 1 mL de tolueno contendo 15 mg de SMPV1 e 11,25 mg de PC71BM. Adicionar 0,1 mL de solução, girar a amostra a 2.000 rpm para 40 s usando um aplicador de rotação e recozem a 60 ° C por 2 min.
  2. Após o processo de recozimento, coloque o substrato em um sistema de evaporação térmica. Bomba a câmara de vácuo, inicialmente usando uma bomba mecânica até que a pressão atinja 4 x 10-2 torr, em seguida, alternar para um turbo bomba para fazer a pressão ambiente < 4 x 10-6 torr.
  3. Camada de depósito o MoO3 , a uma taxa de deposição de 0.1 nm/s por aquecimento MoO3 pó num barco com uma Z-relação de 1.0 e uma corrente de entrada de 105 molibdênio resistiva r. depósito a Ag camada a uma taxa de deposição de 0,5 nm/s por lingote de prata de aquecimento em um t resistivo ungsten barco com uma Z-relação de 0.529 e uma corrente de entrada de 190 A. O sistema deve incluir um monitor de taxa de evaporação de cristal de quartzo para controlar o processo de evaporação. A espessura das camadas de Ag e MoO3 deve ser controlada para ser 5 e 150 nm, respectivamente, com base no monitor espessura cristal de quartzo.
  4. Após a amostra esfria até 30 ° C, na câmara, desligue a bomba e introduza o gás nitrogênio na câmara até a câmara pode ser aberta. Retire a amostra do titular do substrato e carregar a amostra no porta-luvas.
  5. O sistema simulador solar aberto e esperar 20 min até a fonte de luz do sistema é estável. Iluminar a amostra em 100 mW/cm2 de um simulador solar usando uma massa de ar 1.5 global (AM 1.5 g) filtro. Simultaneamente, use o analisador de varrer o dispositivo de -1 V para + 1 V para obter a curva de densidade de corrente-tensão (J-V)14,15.

5. caracterização técnicas

  1. Realize a difração de raios x measurment16 com uma fonte de Cu Kα para estudar as estruturas da NRs ZnO, sobre a camada de sementes sputtered AZO e a camada de sementes de sol-gel processado ZnO. A velocidade de varredura deve ser o 1 ° / min, e o intervalo de varredura deve ser 10-90 ° (2 θ).
  2. Caracterizar a morfologia superficial e imagem transversal das amostras por emissão de campo varredura microscopia eletrônica17 definindo a tensão de funcionamento de 10 kV.
  3. Obter a micro fotoluminescência espectros (PL) de todas as amostras, usando um laser de Cd CW 325 nm (20 mW) como a fonte de excitação com um irritante de ranhuras/mm na geometria de Retrodispersão de 2.400. AllPL medições18 deve ser realizado à temperatura ambiente.

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Resultados

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A estrutura em camadas de dispositivos consistia de um substrato de ITO/AZO (40 nm) / camada de ZnO NRs, SMPV1:PC71BM (80 nm) / MoO3 (5 nm) /Ag (150 nm) conforme mostrado na Figura 1. Em geral, a camada de sementes AZO ou ZnO é amplamente utilizada para funcionar como a camada de transporte de elétrons (ETL) em dispositivos de EPS. Além de EPS, SM-OPVs normalmente têm uma camada ativa mais curta, limitada pela difusão mais curto comprime...

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Discussão

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Utilizando o NRs intercalar, tanto o Jsc e o FF dos dispositivos podem ser melhorado. No entanto, a aspereza de superfície das NRs também irá influenciar os processos subsequentes. Assim, a orientação e a morfologia de superfície dos NRs devem ser cuidadosamente manipulados. Por um longo tempo, o sol-gel processados ETL como TiO2 e ZnO eram comumente usadas em PSCs devido aos seus procedimentos simples. No entanto, a cristalização das camadas de sol-gel processado é geralmente do tipo amorfo, e a mo...

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Divulgações

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Os autores declaram que eles têm não tem interesses financeiro concorrente.

Agradecimentos

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Os autores gostaria de agradecer o Conselho ciência nacional da China para o apoio financeiro da pesquisa sob contrato n º A maioria dos 106-2221-E-239-035 e a maioria dos 106-2119-M-033-00.

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Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
AZO alvoUltimate Materials Technology Co., Ltd.nenhumAZO (2% em peso de Al2O3 em ZnO), 3" ψ x 3mmt
+ 3mmt B/P + Ligação
SMPV1Luminescence Technology Corp.1651168-29-42,6-bis[2,5-bis(3-octilrodanina)-(3,3-dioctil-2,2':5,2''-tertiofeno)]-4,8-bis((5-etilhexil)tiofen-2-il)benzo[1,2-b:4,5-b']ditiofeno
RF sistema de pulverização catódicaKao Duen Technology Co., Ltdnenhumhttp://www.kaoduen.com.tw/index.php?action=product
Acetato de zinco di-hidratadoJ. T. Baker59704564,39 g
monoetanolaminaJ. T. Baker1414351,22 g
2-metoxietanolSigma-Aldrich10986440 mL
de nitrato de zinco hexahidratadoJ. T. Baker101961861,49 g
HexametilenotetraminaSigma-Aldrich100-97-00,7 g
Óxido de índio e estanho (ITO)RiTdisplaynenhumsubstratos de vidro revestidos (< 10 e ômega; sq– 1)
AFMVeecoInnova SPM
SEMFEINova 200 NanoSEMtensão de operação: 10 kV
XRDBrukerD8 difratômetro de raios-X2θ faixa: 10- 90 °; Tamanho do passo: 0,008 °
PLHoribaJobin-Yvon HR800fonte de excitação: 325 nm UV Laser 20 mW
simulador solarNewport91192AAM 1.5G
Analisador de Parâmetros de Semicondutores de PrecisãoKeysight TechnologiesAgilent 4156Cvarredura de -1 a +1 V
toluenoSigma-Aldrich108-88-31 mL
PC71BMSigma-Aldrich609771-63-311,25 mg
Sistema de evaporação térmicaKao Duen Technology Co., LtdKao Duen PVD Systemhttp://www.kaoduen.com.tw/index.php?action=product
HClSigma-Aldrich7647-01-0
MoO3Alfa Aesar1313-27-599,50%
lingote de prataADMAT Inc.nenhum100.00%
Controlador de Deposição de Filme FinoINFICONXTC
fita anticorrosiva (Filme de Poliimida)3M Taiwan Corporationnenhumhttp://solutions.3m.com.tw/wps/portal/3M/zh_TW/InsulatingTape/home/product/Polyimide/
spin-coaterChemat Technology, IncKW-4Ahttp://www.chemat.com/chematscientific/KW-4A.aspx

Referências

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