Методическая статья

Контроль за Морфология Полностью Printable органо-неорганические Bulk-гетеропереходной солнечных батарей На основе Ti-алкогол и полупроводникового полимера

DOI:

10.3791/54923

⸱

10 января 2017 г.

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

В этой статье

Краткое содержание

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

Способ полностью пригодном для печати фуллерена свободной, высоко воздушных стабильных, солнечных батарей объемной гетеропереходной на основе Ti алкоголятов как акцептор электронов и изготовления полимерной электронодонорности описано здесь. Кроме того, сообщается, способ контроля морфологии светочувствительного слоя через молекулярный громоздкости Ti-алкоксид-единиц.

Аннотация

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

Фотоактивный слой типичного органического тонкопленочного объемного гетеропереходного солнечного элемента (BHJ) обычно использует производные фуллерена в качестве материала, принимающего электроны. Однако производные фуллерена чувствительны к воздуху; Поэтому в качестве альтернативы необходим воздухостабильный материал. В настоящем исследовании мы предлагаем и описываем свойства Ti-алкоксида в качестве альтернативного электрон-принимающему материалу производным фуллерена для создания высокостабильных в воздухе солнечных элементов BHJ. Хорошо известно, что управление морфологией в фотоактивном слое, который построен с производными фуллерена в качестве акцептора электронов, важно для получения высокой общей эффективности с помощью метода растворителей. Традиционный метод растворителей полезен для материалов с высокой растворимостью, таких как производные фуллеренов. Однако для Ti-алкоксидов традиционный метод растворителей недостаточен, поскольку они растворяются только в определенных растворителях. Здесь мы демонстрируем новый подход к контролю морфологии, который использует молекулярную громоздкость Ti-алкоксидов без традиционного метода растворителя. То есть, данный метод является одним из подходов к получению высокоэффективных, воздухостабильных, органо-неорганических объемно-гетеропереходных солнечных элементов.

Введение

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

Органические устройства фотоэлектрические рассматриваются перспективные возобновляемые источники энергии из - за их низкой стоимости производства и легкий вес 1-7. Из-за этих преимуществ, большое количество ученых, были погружены в этой многообещающей области. В последнее десятилетие, сенсибилизированных красителем, органических тонкопленочных и солнечных элементов со структурой перовскита-сенсибилизированные достигли значительного прогресса в эффективности преобразования энергии в этой области 8.

В частности, органические тонкопленочные солнечные элементы и органические технологии солнечных элементов тонкопленочных BHJ являются эффективными и экономически эффективные решения для использования солнечной энергии. Кроме того, эффективность преобразования энергии достигает более 10% при использовании низкой запрещенной зоной полимеров в качестве производных донора электронов и фуллерена в качестве акцептора электронов (фенил-C 61 -бутановая-Кислотно-метиловый эфир: [60] PCBM или фенил-C 71 -бутановая-кислотная-метиловый эфир: [70] PCBM) 9-11. Кроме того, некоторые исследователи чпр уже сообщалось о важности структуры BHJ в светочувствительном слое, который сконструирован с низкой запрещенной зоной полимеров и производных фуллерена, чтобы получить высокую общую эффективность. Однако производные фуллерена воздух чувствительны к регистру. Таким образом, воздух-стабильным электроноакцепторные материал необходим в качестве альтернативы. Несколько докладов ранее были предложены новые типы органических фотогальванических элементов, которые используют н-типа полупроводниковых полимеров или оксидов металлов в качестве акцепторов электронов. Эти доклады поддержали разработку воздушных стабильных, фуллерена свободных, органических тонкопленочных солнечных элементов 12-15.

Тем не менее, в отличие от фуллерена систем или п-типа полупроводниковая полимерных систем, получения удовлетворительной работы структуры BHJ в светочувствительном слое, который имеет разделение зарядов и способности переноса заряда трудно в металлооксидных системах 16-17. Кроме того, производные фуллерена и п-типа полупроводниковые полимеры имеют высокую растворимостьво многих растворителях. Таким образом, можно легко контролировать морфологию светочувствительного слоя путем выбора Раствор чернил , в качестве растворителя, который является предшественником светочувствительного слоя 18-20. В отличие от этого, в случае систем алкоксидов металлов, используемые в сочетании с донорной полимера, причем оба полупроводники нерастворимы в почти во всех растворителях. Это происходит потому, что алкоксиды металлов, не имеют высокую растворимость в растворителе. Таким образом, селективность растворителей для контроля морфологии крайне низка.

В этой статье мы приводим способ контроля морфологии светочувствительного слоя с использованием молекулярного громоздкость для изготовления печатных и высоко воздушных стабильных солнечных батарей BHJ. Мы описываем важность контроля морфологии для прогресса фуллерена свободных BHJ солнечных батарей.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

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

1. Получение индий-олово-оксид (ITO) стекла для солнечных батарей Fabrication

  1. Вырезать ITO / стеклянную подложку.
    1. Используя стеклорез, разрезать ITO / стеклянную подложку (10 см х 10 см) на куски размером примерно 2 см × 2 см.
  2. Химически протравить проводящий слой ITO.
    1. Используя цифровой мультиметр, убедитесь, что в верхней части ITO / кусок стекла имеет проводящую сторону.
    2. Место липкой лентой по обе стороны ИОО / куска стекла, оставляя центральную зону 2 мм × 2 см в середине. С помощью клейкой ленты, защитить остальную часть проводящего слоя ITO от травления.
    3. Налейте несколько капель HCl (1 М) на проводящий слой ITO для удаления проводящего слоя ITO с поверхностью ИТО / кусок стекла. Примерно через 3 мин, вытрите HCl с помощью ватного тампона, а затем удалите клейкую ленту.
  3. Обрабатывайте Ито / кусок стекла.
    1. Поместите ITO / стекло штук ввитринные и заполнить дело с водой.
    2. Поместите стеклянную витрину на водяной бане, которая на две трети воды и придают ультразвуковой очиститель. Затем включите ультразвуковой очистки в течение приблизительно 15 минут, чтобы удалить несколько следов оставшихся на ITO / кусок стекла химического травителя. Промыть эти части в ультразвуковой ванне с водой, ацетон и изопропиловый спирт, соответственно, в течение 15 минут каждый, а затем высушить их в потоке сухого воздуха. Выполните ультразвуковую при частоте колебаний 42 кГц.
    3. Поместите ITO / кусочки стекла внутри ультрафиолетовой-озона (УФ-O 3) очиститель и запустить машину в течение 30 минут.

2. Получение Предшественник раствора для светочувствительного слоя

  1. Растворяют 0,5 мг поли [2,7- (9,9-dioctylfluorene) -alt-4,7-бис (тиофен-2-ил) бензо-2,1,3-тиадиазол] (ПФО-ДВТ) как электрон донора и 1,0 мг Ti-алкоксидом в 1 мл хлорбензола. Выберите следующие Ti-алкоксиды как электронакцепторы: Ti (IV), изопропоксида, этоксид, бутилат, и бутоксид полимер. Затем растворить 0,5 мг PFO-ДВТ и 1,0 мг [60] PCBM в 1 мл хлорбензола в качестве эталона.
    Примечание: Здесь, уровни гомо-LUMO следующие 21. УФП-ДВТ: 5.4-3.53 эВ, Ti (IV) изопропоксида: 7.49-3.86 эВ, этоксид: 7.55-3.90 эВ, бутоксид: 7.53-3.76 эВ, и бутоксид полимер: 7.57-3.83 эВ.
  2. На магнитной мешалкой горячей, нагревают раствор предшественника до 70 ° С при перемешивании его с мешалкой при скорости вращения 700 оборотов в минуту. Делайте это в течение 20 мин при отсутствии света, до тех пор, пока раствор не станет визуально ясно невооруженным глазом. Охлаждают раствор до комнатной температуры, опять же в отсутствии света, для использования в будущем.

3. Изготовление светочувствительного слоя

  1. Депозит пленку методом центрифугирования покрытия.
    1. Нагревают раствор предшественника светочувствительного слоя и ОИО / кусок стекла до 70 ° С. В течение 10 мин, нагревают раствор предшественника на магнитной горячей размешатьRER нагревали до 70 ° C и используют мешалку при скорости вращения 700 оборотов в минуту. Нагреть ИТО / кусок стекла на керамической плитке, нагретой до 70 ° С в течение 5 мин.
    2. Поместите ITO / кусок стекла в центре вакуумной стадии спина нанесения покрытий, нагреть его с помощью тепловой пушки до около 70 ° C, и включите вакуум.
      Примечание: Вакуум создается с помощью вакуумного насоса со скоростью откачки 30 л / мин. Предельное давление вакуумного насоса составляет 26,6 × 10 3 Па.
    3. Налейте несколько капель раствора предшественника светочувствительного слоя на кусок стекла / ITO и начать спиновый для нанесения покрытий на 2,000-6,000 оборотов в минуту в течение 60 с в воздухе.
      Примечание: Объем раствора предшественника составляет 0,5 мл, измеренная с spuit 1-мл.
    4. Сушат поверхность светочувствительного слоя в течение 10 мин при комнатной температуре в атмосфере воздуха в отсутствие света, чтобы получить 50 нм толщиной пленки в качестве светочувствительного слоя.
  2. Удалить лишнюю пленку.
    1. Протрите дополнительный фотoactive слой с поверхности ITO / кусок стекла с помощью ватного тампона, смоченного хлорбензола.
    2. Сушат светочувствительный слой снова в течение 10 мин при комнатной температуре в атмосфере воздуха при отсутствии света.
      Примечание: Температура нашего эксперимента комнате поддерживали при 25 ° C.

4. Изготовление Электрод

  1. Печать органического электрода.
    1. С помощью трафаретной печати, печати органический электрод путем размещения поли (3,4-этилендиокситиофена) -poly (стиролсульфонат) (PEDOT-PSS) на светочувствительном слое 22. Металлическая маска 50 мкм толщиной, и область печати составляет 5 мм × 20 мм.
    2. Сушат органический электрод в течение 30 мин при комнатной температуре в атмосфере воздуха при отсутствии света.

5. Ламинирование для солнечных батарей

  1. Обрежьте стеклянную подложку на куски с размерами 1,5 см × 2,5 см с помощью алмазного резца. распространениеэпоксидной смолы на стеклянную подложку, используя пластиковый шпатель. Поместите стеклянную подложку с эпоксидной смолой на светочувствительном слое, чтобы защитить его.

6. Подготовка для измерения производительности солнечных элементов

  1. Очистите электроды, протирая их ватным тампоном, смоченным ацетоном. Прикрепите опорный электрод на ITO с помощью ультразвуковой системы пайки. Используйте паяльник на частоте 42 кГц и при 230 ° С.

7. Определение эффективности солнечных элементов

  1. Измерьте ток-напряжение (СП) характеристики солнечных элементов с использованием постоянного тока напряжения источника тока монитора интегрированной системы /, с солнечным Имитатор калибруют , чтобы обеспечить имитацию AM1.5G 100 мВт / см 2 с помощью кремниевого фотодиода.
    Примечание: Более подробную информацию об измерении кривых СП может быть найден в другом месте 23, 24.

8. Analyлиз структуры разделения фаз

  1. Подготовка отдельных пленок светочувствительных слоев, построенных с Ti-алкогол и PFO-DBT, используя тот же метод для изготовления солнечных элементов, без органического электрода и без процесса ламинирования.
  2. С помощью оптического микроскопа или сканирующего электронного микроскопа (SEM) для наблюдения морфологии светочувствительного слоя при большом увеличении (50000 ×) для того, чтобы проанализировать структуру фазового разделения.
    Примечание: Более подробную информацию о работе SEM можно найти в другом месте 25, 26.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

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

Мы представили протокол для изготовления полностью пригодные для печатания органо-неорганические BHJ солнечных батарей, а также способ управления структурой фазового разделения. Производительность солнечной ячейки была широко исследована 27-31 , когда Ti (IV) изопропоксида и этоксида были использованы в качестве электронно-приема материалов (рисунок 1). Эти солнечные элементы выставлены плотность тока короткого замыкания (ОНК) , который приблизительно в восемь...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

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

Для того чтобы использовать громоздкость молекулы в этом методе, важно знать условия для формирования пленки покрытия центрифугированием. Во-первых, р-типа и N-типа полупроводники должны иметь возможность быть растворены в растворителях. Когда какой-нибудь материал остается, он станет большим ядром доменов в светочувствительном слое. Использование адекватного коммерческого фильтра для индивидуальных растворителей рекомендуется для удаления оставшегося материала. Затем раствор предшественника, в котором молекулы растворя...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

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

Авторы заявляют, что у них нет конкурирующих финансовых интересов.

Благодарности

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

Эта работа была частично поддержана JSPS KAKENHI Grant Номер 25871029, в Nippon Sheet Glass Foundation для материаловедения и инженерии, а также промышленного Центра содействия Точиги. Национальный технологический институт, Ояма колледж, также помогал стоимость публикации этой статьи.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Изопропоксид Ti(IV), 97%Сигма Олдрич205273
этоксид Ti(IV)Сигма Олдрич244759Технический
бутоксид Ti(IV), 97%Сигма Олдрич244112Реагент
Полимер бутоксида Ti(IV)Сигма Олдрич510718
поли[2,7-(9,9-диоктилфлюорен)-алт-4,7-бис(тиофен-2-ил)бензо-2,1,3- тиадиазол] (PFO-DBT)Sigma Aldrich754013
[6,6]-фенил-C61-масляная кислота метиловый эфир ([60]PCBM) 99,5%Sigma Aldrich684449исследовательский
поли(3,4-этилендиокситиофен)-поли(стиролсульфонат) (PEDOT-PSS)HeraeusClevios S V3
1 N Соляная кислотаWako083-01095
Хлорбензол 99,0%Wako032-07986
Ацетон 99,5% Wako016-00346
Стеклянная подложка с покрытием из оксида индия и олова (ITO)Geomatec0002100× в 100 раз; 1,1т (мм)
Стеклянная подложкаMatsunami GlassS721376&раз; 26 раз; 1,2 т (мм)
Хлопковый хвост Как один1-8584-16
Эпоксидная смолаNichibanAR-R30
Пластиковый шпательКак один2-3956-02
Ультразвуковой очистительКак одинAS482
Магнитная горячая мешалкаКак однаRHS-1DN
Керамическая нагревательная пластинаКак одинCHP-17DN
Вращающаяся машинадля нанесения покрытийKyowarikenK-359 S1
Вакуумный насосULVACDA-30S
UV-O3 очистительFilgenUV253E
Трафаретный принтерMitani ElectronicsMEC-2400
Ультразвуковая паяльная системаKuroda TechnoSUNBONDER USM-5
Постоянный ток напряжения и тока/монитор интегрированный системаSan-Ei ElectricXES-40S1
Сканирующий электронный микроскопJEOL Ltd.Материал JSM-7800

Ссылки

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Price, C. S., Stuart, C. A., Yang, L., Zhou, H., You, W. Fluorine substituted conjugated polymer of medium band gap yields 7% efficiency in polymer-fullerene solar cells. J. Am. Chem. Soc. 133 (12), 4625-4631 (2011).
  2. Liang, Y. Y., et al. For the bright future-Bulk heterojunction polymer solar cells with power conversion efficiency of 7.4%. Adv. Mater. 22, 135-138 (2010).
  3. Chu, T. -Y., et al. Bulk heterojunction solar cells using thieno[3,4-c]pyrrole-4,6-dione and dithieno[3,2-b:2',3'-d]silole copolymer with a power conversion efficiency of 7.3%. J. Am. Chem. Soc. 133 (12), 4250-4253 (2011).
  4. Zhou, H., et al. Development of fluorinated benzothiadiazole as a structural unit for a polymer solar cell of 7% efficiency. Angew. Chem. Int. Ed. 50 (13), 2995-2998 (2011).
  5. Janssen, J. A. R., Nelson, J. Factors limiting device efficiency in organic photovoltaics. Adv. Mater. 25 (13), 1847-1858 (2012).
  6. Nelson, J. Polymer:fullerene bulk heterojunction solar cells. Mater. Today. 14 (10), 462-470 (2011).
  7. He, Z., Zhong, C., Su, S., Xu, M., Wu, H., Cao, Y. Enhanced power-conversion efficiency in polymer solar cells using an inverted device structure. Nat. Photonics. 6, 591-595 (2012).
  8. Baena, J. P. C., et al. Highly efficient planar perovskite solar cells through band alignment engineering. Energy Environ. Sci. 8, 2928-2934 (2015).
  9. Shuttle, G. C., Hamilton, R., O'Regan, B. C., Nelson, J., Durrant, R. J. Charge-density-based analysis of the current-voltage response of polythiophene/fullerene photovoltaic devices. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 107, 16448-16452 (2010).
  10. Dibb, G. F. A., Kirchartz, T., Credgington, D., Durrant, R. J., Nelson, J. Analysis of the relationship between linearity of corrected photocurrent and the order of recombination in organic solar cells. J. Phys. Chem. Lett. 2 (19), 2407-2411 (2011).
  11. Maurano, A., et al. Transient optoelectronic analysis of charge carrier losses in a selenophene:fullerene blend solar cell. J. Phys. Chem. C. 115, 5947-5957 (2011).
  12. Yuan, Y., Michinobu, T., Oguma, J., Kato, T., Miyake, K. Attempted inversion of semiconducting features of platinum polyyne polymers: A new approach for all-polymer solar cells. Macromol. Chem. Phys. 214 (13), 1465-1472 (2013).
  13. Granström, M., et al. Laminated fabrication of polymeric photovoltaic diodes. Nature. 395, 257-260 (1998).
  14. Hal, A. P., et al. Photoinduced electron transfer and photovoltaic response of a MDMO-PPV:TiO2 bulk-heterojunction. Adv. Mater. 15 (2), 118-121 (2003).
  15. Das, K. S., et al. Controlling the processable ZnO and polythiophene interface for dye-densitized thin film organic solar cells. Thin Solid Films. , 302-307 (2013).
  16. Campoy-Quiles, M., et al. Morphology evolution via self-organization and lateral and vertical diffusion in polymer:fullerene solar cell blends. Nature Materials. 7, 158-164 (2008).
  17. Schmidt-Hansberg, B., et al. Moving through the phase diagram: morphology formation in solution cast polymer-fullerene blend films for organic solar cells. ACS Nano. 5 (11), 8579-8590 (2011).
  18. Hou, Q., et al. Novel red-emitting fluorene-based copolymers. J. Mater. Chem. 12, 2887-2892 (2002).
  19. Zheng, L., et al. Synthesis of C60 derivatives for polymer photovoltaic cell. Synth. Met. 135, 827-828 (2003).
  20. Svensson, M., et al. High-performance polymer solar cells of an alternating polyfluorene copolymer and a fullerene derivative. Adv. Mater. 15 (12), 988-991 (2003).
  21. Kato, T., et al. Morphology control for highly efficient organic-inorganic bulk heterojunction solar cell based on Ti-alkoxide. Thin Solid Films. 600, 98-102 (2016).
  22. Shibata, Y., et al. Quasi-solid dye sensitized solar cells with ionic liquid Increase in efficiencies by specific interaction between conductive polymers and gelators. Chem. Comm. 21, 2730-2731 (2003).
  23. Wu, J., et al. A thermoplastic gel electrolyte for stable quasi-solid-state dye-sensitized solar cells. Adv. Funct. Mater. 17 (15), 2645-2652 (2007).
  24. Johansson, J. M. E., et al. Photovoltaic and interfacial properties of heterojunctions containing dye sensitized dense TiO2 and Tri-arylamine derivatives. Chem. Mater. 19 (8), 2017-2078 (2007).
  25. Echlin, P. Handbook of Sample Preparation for Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis. , Springer US. (2011).
  26. Flegler, S. L., Heckman, J. W., Klomparens, K. L. Scanning and Transmission Electron Microscopy: An Introduction. , Oxford University Press. UK. (1993).
  27. Cowan, R. S., Roy, A., Heeger, J. A. Recombination in polymer-fullerene bulk heterojunction solar cells. Phys. Rev. B. 82 (24), 245207(2010).
  28. Street, A. R., Cowan, S., Heeger, J. A. Experimental test for geminate recombination applied to organic solar cells. Phys. Rev. B. 82 (12), 121301(2010).
  29. Shuttle, G. C., et al. Charge extraction analysis of charge carrier densities in a polythiophene/fullerene solar cell: Analysis of the origin of the device dark current. Appl. Phys. Lett. 93, 183501(2008).
  30. Shuttle, G. C., et al. Bimolecular recombination losses in polythiophene: Fullerene solar cells. Phys. Rev. B. 78, 113201(2008).
  31. Reyes-Reyes, M., et al. Methanofullerene elongated nanostructure formation for enhanced organic solar-cells. Thin Solid Films. 516 (1), 52-57 (2007).
  32. Shuttle, G. C., et al. Experimental determination of the rate law for charge carrier decay in a polythiophene: Fullerene solar cell. Appl. Phys. Lett. 92, 093311(2008).
  33. Mori, D., Benten, H., Ohkita, H., Ito, S., Miyake, K. Polymer/polymer blend solar cells improved by using high-molecular-weight fluorene-based copolymer as electron acceptor. ACS Appl. Mater. Interfaces. 4 (7), 3325-3329 (2012).
  34. You, J., et al. A polymer tandem solar cell with 10.6% power conversion efficiency. Nature Commun. 4, 1446(2013).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

PFO DBT

Похожие статьи