Методическая статья

Хорошо выровнены вертикально ориентированных ZnO Nanorod массивы и их применение в Перевернутый малые молекулы солнечных батарей

DOI:

10.3791/56149

⸱

25 апреля 2018 г.

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
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

В этой статье

Краткое содержание

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

Эта рукопись описывает способы проектирования и изготовления эффективной Перевернутый SMPV1:PC71BM солнечных батарей с ZnO наностержни (NRs) вырос на слое семян Аль легированных ZnO (Азо) высокого качества. Хорошо выровненные вертикально ориентированные ZnO ЯРБ экспонат высокие кристаллических свойства. Эффективность преобразования энергии солнечных элементов может достигать 6,01%.

Аннотация

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

Эта рукопись описывает способы проектирования и изготовления эффективной Перевернутый солнечных батарей, которые основаны на двумерной конъюгированных малых молекул (SMPV1) и [6,6] - фенил - C71-масляной кислоты метилового эфира (PC71BM), используя наностержни ZnO (NRs) вырос на слое семян Аль легированных ZnO (Азо) высокого качества. Перевернутый SMPV1:PC71BM солнечных батарей с ZnO рупий, который вырос на распыленных и золь гель слой обработанных семян Азо изготовлены. По сравнению с Азо тонкой пленки, подготовленный золь гель методом, распыленных Азо тонкопленочных экспонатов лучше кристаллизации и Нижняя шероховатость поверхности, по данным рентгеновской дифракции (XRD) и атомно-силового микроскопа (AFM) измерений. Ориентация ЯРБ ZnO, выращенных на слое распыленных Азо семян показывает более вертикальное выравнивание, которая выгодна для осаждения последующих активного слоя, образуя лучше поверхности морфологии. Как правило поверхности морфологии активного слоя основном доминирует коэффициент заполнения (FF) устройств. Следовательно, хорошо выровненные ЯРБ ZnO может использоваться для улучшения сбора перевозчика активного слоя и увеличить FF солнечных батарей. Кроме того, как структура антибликовое также могут быть использованы для повышения света уборки поглощения слой, с эффективности преобразования энергии (PCE) солнечных батарей, достигнув 6,01%, выше, чем золь гель на основе солнечных батарей с эффективностью 4.74 %.

Введение

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

Органические Фотоэлектрические устройства (ОПВ) недавно прошли замечательные достижения в области применения возобновляемых источников энергии. Такие органические устройства имеют много преимуществ, включая процесс решения совместимости, низкая стоимость, легкий вес, гибкость, и т.д.1,2,3,4,5 до сих пор, используя конъюгированные полимеры, смешивается с PC71BM6были разработаны полимерные солнечные (Чок) с ПХЭ более чем на 10%. По сравнению с полимерной основе Чок, малые молекулы на основе владения (SM-владения) привлекли больше внимания когда дело доходит до изготовления владения за счет их несколько различных преимуществ, включая четко определенных химических структур, снисходительный синтеза и очищение, и как правило выше холостого напряжение (Voc)7,8,9. В настоящее время структура 2-D конъюгированных малые молекулы 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) с БРЭ-T (бензо [1,2-b:4, 5-б '] dithiophene) как основного подразделения и 3-octylrodanine как электрон снятия конец группа10 был разработан и используется в смеси с PC71BM для перспективных устойчивого применения владения. PCE обычных малые молекулы солнечных батарей (SM-владения) на основе SMPV1 смешивается с PC71BM достиг более чем 8,0%10,11.

В прошлом PSC может укрепить и оптимизированы просто регулируя толщину активного слоя. Однако в отличие от Чок, SM-владения в целом имеют длины диффузии, который значительно ограничивает толщина активного слоя. Следовательно для дальнейшего увеличения короткий плотности тока (scJ) из SM-владения, используя нано структуры12 или ЯРБ9 для улучшения оптического поглощения SM-владения стало необходимым.

Среди этих методов антибликовое ЯРБ структура обычно эффективна для легкой уборки активного слоя в широком диапазоне длин волн; Таким образом зная, как вырастить хорошо выровнены вертикально ориентированных оксид цинка (ZnO) ЯРБ весьма критически. Шероховатость поверхности семян слой ниже слоя ZnO ЯРБ имеет большое влияние на ориентацию NR массивов; Таким образом чтобы депозит четко ориентированной НСП, кристаллизации семян слоя должна быть точно контролируемых9.

В этой работе Азо фильмы готовятся theRadio частота (RF) распыления технику. По сравнению с другими методами, распыления РФ как известно что эффективная технология, которая может передаваться в промышленности для его надежной осаждения техника, которая позволяет синтеза высокой чистоты, единообразных, гладкая и самодостаточной Азо тонких пленок расти над большой площади подложки. Используя РФ распыление осаждения позволяет формировать Азо фильмов высокого качества, которые демонстрируют высокие кристаллизации с снижение шероховатости поверхности. Таким образом, в слое последующего роста, ориентации НСП высоко выровняны, тем более, когда по сравнению с пленок ZnO, подготовленный золь гель методом. Используя эту технику, PCE Перевернутый малые молекулы солнечные батареи, основанные на хорошо выровнены вертикально ориентированных массивы ZnO NR может достигать 6,01%.

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

Протокол

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

1. рост Азо распыленных семян слоя на подложке ITO

  1. Палку 4 штуки антикоррозионные ленты (0,3 x 1,5 см) на одной стороне Индий оксид олова (ITO) субстрата в форме квадрата (1,5 х 1,5 см). Положите Ито в соляной кислоты за 15 мин до etch подвергаются области Ито.
  2. Удалите ленту и очистить образца с помощью sonicator; sonicate с дейонизированной воды (DI), ацетон, этанола и изопропиловый спирт в свою очередь за 30 мин. Укладка феном узорной Ито с ружьем сжатым азотом.
  3. Прикрепите уборка узорной Ито субстратов на субстрат держатель, ленты и загрузить держателя в основной камеры напыления системы РФ. Насос давления в камере для ниже 4 x 10-6 Торр через механические и диффузионного насоса для обеспечения экологической чистоты.
  4. Вставить чистый Аргон газ (скорость потока: 30 sccm) в основной камере и управления насоса для поддержания давления палаты на 1 mtorr.
  5. Подготовка слоев Азо семян, с помощью распыления метод, основанный на сообщил метод13РФ (13,56 МГц). Круговой 2 в измерение AZO использовать керамические целевой (2 wt % Al2O3 в ЗНО) депонировать их на предварительно очищенный субстраты стекла ITO. Держите целевой субстрат расстояние 10 см.
  6. Поддерживать рабочее давление в 1 mtorr и мощности 40 Вт во время осаждения. Контроль температуры субстрата при комнатной температуре. Установите прикладные предвзятости DC и скорость осаждения до 187 V и 4 Нм/мин, соответственно на хранение Азо тонкой пленки. Толщина слоя Азо семян должны контролироваться на 40 Нм, основанный на мониторе Толщина кристалла кварца.
  7. После того, как образец охлаждается до 30 ° C в камере, выключите насос и вставьте основной камеры газ азот, до тех пор, пока Камера может быть открыт. Удалите образец из держателя субстрата.

2. рост золь гель обработаны ZnO семян слой на подложке ITO

  1. Денежный депозит ZnO семян слой на узорной подложке ITO спин золь гель, покрытие методом14. Ацетат цинка дигидрат, 2-methoxethanol и моноэтаноламина (MEA) используются как начальные материалы, растворитель и стабилизатор, соответственно.
    1. Растворите дигидрат ацетат цинка (4.39 g) в смеси 2-methoxethanol (40 мл) и МПС (1.22 g) для получения концентрации цинка ацетата 0,5 М.
    2. Перемешайте полученную смесь при 60 ° C на 2 ч. Пусть соль сидеть за 12 h сформировать четкую и транспарентную однородный раствор.
    3. Депозит ZnO семян слоя на очищаемой Ито узорной стеклянные подложки с помощью метода покрытия спина. Добавить 0,1 мл раствора золь гель на подложку и вращаться при 3000 об/мин за 30 сек с использованием coater спин.
    4. После отжима покрытия сухие фильм на 200 ° C за 30 минут на горячей плите чтобы растворитель испаряется и удаления органических остатков. Толщина слоя ZnO семя должно быть около 40 nm14.

3. рост ZnO NR массива на слое семян

  1. Растут ZnO NR массив с помощью метода гидротермальных.
    1. Mix 1,49 g Цинк азотнокислый гексагидрат (Zn (№3)2·6H2O) и Гексаметилентетрамин (HMT) (C6H12N4) 0,7 г в 100 мл ди воды. Перемешайте полученную смесь при комнатной температуре за 30 мин.
    2. Прикрепите стороне Ито Азо распыленных семян слоя с образцами ZnO золь гель на обложке стекла с помощью липкой ленты. Поместите образцы в 50 мл полипропиленовые Конические трубки заполнены с 50 мл раствора Zn (№3)2·6H2O и HMT.
    3. Во время роста тепло полипропиленовые Конические трубки положить его горизонтально в лабораторные печи с образцами спин покрытием, вниз и поддержания температуры при 90 ° C 90 мин.
    4. В конце периода роста удаление подложек из решения и немедленно промойте поверхности образца с ди воды и этанола (внутри две мыть бутылки) в свою очередь за 1 мин каждая, чтобы удалить остаточные соли с поверхности. Сушка образца с помощью сжатого азота пистолет и выпекать на горячей плите при 250 ° C на 10 мин.

4. Изготовление и измерение Перевернутый малые молекулы солнечных батарей

  1. Загрузите ITO подложке с ZnO NR массива на спин coater в бардачком. Смешать 1 мл толуола, содержащий 15 мг SMPV1 и 11,25 мг PC71BM. добавить 0,1 мл раствора, спина образца при 2000 об/мин для 40 s с помощью спин coater и обжигают при 60 ° C на 2 мин.
  2. После процесса отжига место субстрата в систему термическое испарение. Насос вакуумной камеры, сначала с помощью механического насоса до тех пор, пока давление достигает 4 x 10-2 Торр, затем переключиться на turbo насос сделать окружающего давления < 4 x 10-6 Торр.
  3. Депозит MoO3 слоя со скоростью осаждения 0,1 нм/с нагреванием MoO3 порошок в резистивной молибдена лодки с Z-коэффициент 1,0 и входной ток 105 A. депозит Ag слой 0,5 нм/с со скоростью осаждения на Отопление Серебряный слиток в резистивной t ungsten катер с Z-соотношение 0.529 и входной ток 190 а. Система должна включать монитор скорость испарения кристалл кварца для контроля процесса испарения. Толщина MoO3 и Ag слои должны контролироваться быть 5 и 150 Нм, соответственно основанные на мониторе Толщина кристалла кварца.
  4. После того, как образец охлаждается до 30 ° C в камере, выключите насос и вставьте газ азот в камере до тех пор, пока Камера может быть открыт. Удалить образец из держателя субстрата и загрузки образца в бардачком.
  5. Откройте симулятор Солнечной системы и ждать 20 минут, пока источник света системы является стабильной. Освещают выборку на 100 МВт/см2 от солнечного симулятор, с использованием воздушной массы 1,5 глобальной (AM 1.5G) фильтр. Одновременно Используйте анализатор подмести устройство от -1 V + 1 V для получения14,кривой плотности тока высоковольтные (J-V)15.

5. характеристика методов

  1. Выполните измерение дифракции рентгеновских лучей16 с Cu Kα источником для изучения структур ZnO НСП, на слое Азо распыленных семян и семян слой ZnO золь гель обработаны. Скорость сканирования должно быть 1 ° / мин, и диапазон сканирования должен быть 10-90 ° (2θ).
  2. Характеризуют поверхности морфологии и поперечного сечения изображения образцов на Автоэмиссионные сканирование электронной микроскопии17 , установив рабочее напряжение 10 кв.
  3. Получить микро фотолюминесценции (PL) спектров всех образцов с помощью 325 Нм CW он-Cd лазера (20 МВт) как источник возбуждения с 2400 мм пазами решетки обратного рассеяния геометрии. AllPL измерения18 должны быть выполнены при комнатной температуре.

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

Результаты

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

Слоистую структуру устройства состоял из ITO подложке/AZO (40 Нм) / ZnO ЯРБ слой, SMPV1:PC71BM (80 Нм) / MoO3 (5 Нм) /Ag (150 Нм) как показано на рисунке 1. В целом уровень семян AZO или ZnO широко используется функционировать как электрон транспортный уровень (ETL) в устройствах Чок. Помимо Чок SM-владения, как правило, имеют меньше активного слоя, ограничивается короче длины диффузии8. Следовательно для дальнейш...

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

Обсуждение

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

Используя ЯРБ прослойка, Jsc и FF устройств может быть улучшено. Однако шероховатость поверхности ЯРБ будет также влияют на последующие процессы. Таким образом следует тщательно манипулируют ориентацию и поверхности морфологии НСП. Для долгое время золь гель обработаны ETL, такие как TiO2 и ZnO широко использовались в Чок благодаря их простой процедуры. Однако кристаллизации золь гель обработаны слоев, как правило, аморфный тип, и поверхности морфология слоев грубо в большинстве случаев. Таким образ...

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

Раскрытие информации

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

Авторы заявляют, что они не имеют никаких финансовых интересов.

Благодарности

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

Авторы хотели бы поблагодарить Национальный совет науки Китая за финансовую поддержку этого исследования по контракту № Большинство 106-2221-E-239-035 и большинство 106-2119-M-033-00.

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

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
AZO targetUltimate Materials Technology Co., Ltd.нетAZO (2 мас.% Al2O3 в ZnO) , 3" ψ x 3мм<бр/> + 3ммт Cu B/P + Bonding
SMPV1Luminescence Technology Corp.1651168-29-42,6-бис[2,5-бис(3-октилродин)-(3,3-диоктил-2,2':5,2''-тертиофен)]-4,8-бис((5-этилгексил)тиофен-2-ил)бензо[1,2-b:4,5-b']дитиофен
RF система распыленияKao Duen Technology Co., Ltdнетhttp://www.kaoduen.com.tw/index.php?action=product
дигидрат ацетата цинкаJ. T. Baker59704564,39 г
моноэтаноламина.J. T. Baker1414351,22 г
2-метоксиэтанолSigma-Aldrich10986440 мл
гексагидрата нитрата цинкаJ. T. Baker101961861,49 г
гексаметилентетраминSigma-Aldrich100-97-00,7 г
оксид индия олова (ITO)RiTdisplayстеклянныеподложки без покрытия (< 10 и Омега; sq– 1)
AFMVeeco Innova SPM
SEMFEINova 200 NanoSEMРабочее напряжение: 10 кВ
XRDBrukerD8 Рентгеновский дифрактометр2θ диапазон: 10– 90 °; Размер шага: 0,008 °°;
PLHoribaJobin-Yvon HR800источник возбуждения: 325 нм УФ-лазер 20 мВт
симулятор солнцаNewport91192AAM 1.5G
Прецизионный анализатор параметров полупроводниковKeysight TechnologiesAgilent 4156Cразвертка от -1 до +1 В
толуолSigma-Aldrich108-88-31 мл
PC71BMSigma-Aldrich609771-63-311,25 мг
Система термического испаренияKao Duen Technology Co., LtdKao Duen PVD Systemhttp://www.kaoduen.com.tw/index.php?action=product
HClSigma-Aldrich7647-01-0
MoO3Alfa Aesar1313-27-599,50%
серебра слитокADMAT Inc.нет100,00%
Контроллер нанесения тонких пленокINFICONXTC
антикоррозийная лента (полиимидная пленка)3M Taiwan Corporationнетhttp://solutions.3m.com.tw/wps/portal/3M/zh_TW/InsulatingTape/home/product/Polyimide/
Spin-coater ChematTechnology, IncKW-4Ahttp://www.chemat.com/chematscientific/KW-4A.aspx

Ссылки

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Dou, L., et al. Tandem polymer solar cells featuring a spectrally matched low-bandgap polymer. Nat. Photonics. 6 (3), 180-185 (2012).
  2. You, J., et al. Metal Oxide Nanoparticles as an Electron-Transport Layer in High Performance and Stable Inverted Polymer Solar Cells. Adv. Mater. 24 (38), 5267-5272 (2012).
  3. Dou, L., et al. Systematic Investigation of Benzodithiophene- and Diketopyrrolopyrrole-Based Low-Bandgap Polymers Designed for Single Junction and Tandem Polymer Solar Cells. J. Am. Chem. Soc. 134 (24), 10071-10079 (2012).
  4. Li, G., Zhu, R., Yang, Y. Polymer solar cells. Nat. Photonics. 6 (3), 153-161 (2012).
  5. You, J., et al. A polymer tandem solar cell with 10.6% power conversion efficiency. Nat. Commun. 4, 1446(2013).
  6. Chen, J. D., et al. Single-Junction Polymer Solar Cells Exceeding 10% Power Conversion Efficiency. Adv. Mater. 27 (6), 1035-1041 (2015).
  7. Zhang, H., et al. Developing high-performance small molecule organic solar cells via a large planar structure and an electron-withdrawing central unit. Chem. Commun. 53, 451-454 (2017).
  8. Zhou, H., et al. Conductive Conjugated Polyelectrolyte as Hole-Transporting Layer for Organic Bulk Heterojunction Solar Cells. Adv. Mater. 26 (5), 780-785 (2014).
  9. Lin, M. Y., et al. Enhance the light-harvesting capability of the ITO-free inverted small molecule solar cell by ZnO nanorods. Opt. Express. 24 (16), 17910-17915 (2016).
  10. Liu, Y., et al. Solution-processed small-molecule solar cells: breaking the 10% power conversion efficiency. Sci. Rep. 3, 3356(2013).
  11. Farahat, M. E., et al. Toward environmentally compatible molecular solar cells processed from halogen-free solvents. J. Mater. Chem. A Mater. Energy Sustain. 4 (19), 7341-7351 (2016).
  12. Lin, M. Y., et al. Plasmonic ITO-free polymer solar cell. Opt. Express. 22 (S2), A438-A445 (2014).
  13. Donato, A., et al. RF sputtered ZnO-ITO films for high temperature CO sensors. Thin Solid Films. 517 (22), 6184-6187 (2009).
  14. Lin, M. Y., et al. Sol-gel processed CuOx thin film as an anode interlayer for inverted polymer solar cells. Org. Electron. 11 (11), 1828-1834 (2010).
  15. Vandewal, K., et al. On the origin of the open-circuit voltage of polymer-fullerene solar cells. Nat. Mater. 8, 904-909 (2009).
  16. Sharma, R., et al. X-ray diffraction: a powerful method of characterizing nanomaterials. Recent Research in Science and Technology. 4 (8), 77-79 (2012).
  17. Huggett, J. M., Shaw, H. F. Field emission scanning electron microscopy a high-resolution technique for the study of clay minerals in sediments. Clay Miner. 32, 197-203 (1997).
  18. Lou, S., et al. Laser beam homogenizing system design for photoluminescence. Appl. Opt. 53 (21), 4637-4644 (2014).
  19. Huang, J. S., Lin, C. F. Influences of ZnO sol-gel thin film characteristics on ZnO nanowire arrays prepared at low temperature using all solution-based processing. J. Appl. Phys. 103, 014304(2008).
  20. Leung, S. F., et al. Light Management with Nanostructures for Optoelectronic Devices. J. Phys. Chem. Lett. 5, 1479-1495 (2014).
  21. Lee, C. Y., et al. White-light electroluminescence from ZnO nanorods/polyfluorene by solution-based growth. Nanotechology. 20 (42), (2009).

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

ZnOAlAZOAZO

Похожие статьи