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

O objetivo geral desta experiência é fabricar células solares de heterojunção em massa totalmente imprimíveis e livres de fulereno usando alcóxidos de titânio volumosos como aceptores de elétrons que controlam a morfologia. Este método pode ajudar a responder a perguntas-chave no campo das células solares de heterojunção em massa sobre o controle da estrutura de separação de fases da camada fotoativa de células solares de heterojunção híbrida orgânica-inorgânica. A principal vantagem dessa técnica é que ela controla a estrutura de separação de fases, dificultando a auto-organização com moléculas volumosas sem as limitações de solubilidade do método convencional de solvente.

As implicações desta técnica se estendem à obtenção de maior eficiência geral da célula solar porque as separações carregadas e a transferência carregada ocorrem sempre na camada ativa. Portanto, esse método pode fornecer informações sobre o sistema doador de elétrons PFO-DVT. Também pode ser operado com polímeros semicondutores, como P3HT ou PTV7.

Para iniciar o procedimento, usando um cortador de vidro, corte um substrato de vidro ITO de 1,1 milímetro de espessura em quadrados de dois centímetros por dois centímetros. Identifique o lado condutor de cada quadrado com um multímetro digital. Cubra o lado condutor de cada quadrado com duas tiras de fita adesiva, deixando uma área de dois milímetros por dois centímetros exposta no centro.

Coloque algumas gotas de ácido clorídrico de um molar na área condutora exposta de cada quadrado. Deixe os quadrados descansarem por três minutos para gravar uma faixa na camada condutora. Em seguida, limpe o ácido clorídrico com uma troca de algodão e remova a fita adesiva.

Coloque os quadrados em um recipiente de vidro e encha o recipiente com água deionizada. Coloque o recipiente em um banho-maria de limpeza ultrassônico. Execute o limpador ultrassônico a 42 kilohertz por 15 minutos.

Em seguida, limpe os quadrados em acetona e isopropanol por 15 minutos cada. Seque os quadrados sob uma corrente de ar seco. Em seguida, limpe os quadrados secos em um limpador de ozônio ultravioleta por 30 minutos.

Para preparar as soluções precursoras, dissolver 0,5 miligramas de PFO-DBT e 1,0 miligramas do alcóxido de titânio escolhido em um mililitro de clorobenzeno. Embrulhe o frasco em papel alumínio para excluir a luz. Aqueça a mistura precursora a 70 graus Celsius, mexendo a 700 RPM.

Mexa a mistura nessa temperatura por cerca de 20 minutos. Quando a solução parecer límpida, deixe esfriar até a temperatura ambiente. Dissolva 0,5 miligramas de PFO-DBT e 1,0 miligramas de 60-PCBM em um mililitro de clorobenzeno como padrão de referência.

Aqueça, mexa e resfrie o padrão de referência nas mesmas condições que os precursores. Para se preparar para um revestimento giratório, pré-aqueça o precursor ou a solução de referência em uma placa quente a 70 graus Celsius, mexendo a 700 RPM por 10 minutos. Aqueça um quadrado de substrato de vidro ITO gravado em uma placa de cerâmica a 70 graus por cinco minutos.

Em seguida, coloque o quadrado de vidro ITO aquecido no centro do estágio de vácuo do revestidor giratório. Reaqueça este quadrado a 70 graus com uma pistola de calor e, em seguida, ligue a bomba de vácuo para fixar o quadrado no lugar. Retire 0,5 mililitros de precursor quente ou solução de referência em uma seringa de um mililitro e coloque imediatamente a solução no quadrado.

Em seguida, execute o revestidor giratório a 2.000 a 6.000 RPM por 60 segundos no ar para criar um filme de 50 nanômetros de espessura. Deixe a superfície secar por 10 minutos em temperatura ambiente na ausência de luz. Em seguida, use um cotonete, umedecido com clorobenzeno, para remover o excesso de material fotoativo.

Seque a superfície novamente nas mesmas condições. Para analisar a estrutura de separação de fases, pare a preparação aqui e use um microscópio óptico ou eletrônico de varredura para obter imagens da camada fotoativa. Para imprimir um eletrodo orgânico em um quadrado de vidro ITO revestido com material fotoativo, use uma impressora de tela com uma máscara de metal de 50 micrômetros de espessura para imprimir um retângulo de cinco milímetros por 20 milímetros de PDOT-PSS na superfície do quadrado.

Deixe o eletrodo secar por 30 minutos ao ar em temperatura ambiente na ausência de luz. Em seguida, corte um pedaço de substrato de vidro de 1,5 centímetro por 2,5 centímetros de 1,2 milímetro de espessura com um cortador de diamante. Espalhe resina epóxi na peça de vidro com uma espátula de plástico.

Coloque o vidro com o lado epóxi voltado para baixo na amostra, deixando um lado da superfície da amostra exposto. Limpe os eletrodos de suporte com acetona e um cotonete. Use um ferro de solda ultrassônico para soldar os eletrodos de suporte na superfície exposta restante do quadrado.

Meça as características de tensão atual da célula com um simulador solar. Repita este procedimento para cada alcóxido de titânio a ser testado e para PFO-DBT como referência. Células solares de heterojunção em massa orgânicas-inorgânicas foram fabricadas usando quatro alcóxidos de titânio diferentes como aceptores de elétrons.

As características de tensão de corrente foram significativamente afetadas pelas propriedades do alcóxido, o que foi atribuído a diferenças na estrutura de separação de fases da camada fotoativa. As densidades de corrente de curto-circuito das células usando titânio quatro isopropóxido, etóxido e butóxido foram muito maiores do que as da célula usando um polímero de butóxido. A microscopia eletrônica de varredura das camadas fotoativas mostrou estruturas de separação de fases aceitáveis para as células de titânio quatro etóxido e isopropóxido.

A célula de titânio quatro butóxido mostrou uma separação de fase um pouco pior, o que foi atribuído ao volume do butóxido. O volume ainda maior do polímero de titânio quatro butóxido era proibitivo para a separação de fase ideal, resultando em baixa geração de carga na camada fotoativa. Após cada desenvolvimento, essa técnica abriu caminho para pesquisadores no campo de células solares híbridas orgânicas-inorgânicas explorarem as combinações de vários materiais para camadas fotoativas altamente eficientes.