Ambient Fremgangsmåte for fremstilling av en ionisk Lukket Carbon Nanotube Common Cathode i Tandem organiske solceller
Summary
A method of fabricating, in ambient conditions, organic photovoltaic tandem devices in a parallel configuration is presented. These devices feature an air-processed, semi-transparent, carbon nanotube common cathode.
Abstract
A method of fabricating organic photovoltaic (OPV) tandems that requires no vacuum processing is presented. These devices are comprised of two solution-processed polymeric cells connected in parallel by a transparent carbon nanotubes (CNT) interlayer. This structure includes improvements in fabrication techniques for tandem OPV devices. First the need for ambient-processed cathodes is considered. The CNT anode in the tandem device is tuned via ionic gating to become a common cathode. Ionic gating employs electric double layer charging to lower the work function of the CNT electrode. Secondly, the difficulty of sequentially stacking tandem layers by solution-processing is addressed. The devices are fabricated via solution and dry-lamination in ambient conditions with parallel processing steps. The method of fabricating the individual polymeric cells, the steps needed to laminate them together with a common CNT cathode, and then provide some representative results are described. These results demonstrate ionic gating of the CNT electrode to create a common cathode and addition of current and efficiency as a result of the lamination procedure.
Introduction
Polymer halvledere er de ledende organiske fotovoltaiske (OPV) materialer på grunn av høy absorptivity, gode transportegenskaper, fleksibilitet og kompatibilitet med temperaturfølsomme underlag. OPV enhets makt konvertering effektivitet, η, har hoppet betydelig de siste årene, med encellete effektivitet så høyt som 9,1% 1, noe som gjør dem et stadig mer levedyktig energiteknologi.
Til tross for de forbedringer i η, de tynne optimale aktive lags tykkelser av enhetene begrense lysabsorpsjon og hindrer pålitelig fabrikasjon. I tillegg er den spektrale bredde for lys absorpsjon av hver polymer begrenset i forhold til uorganiske materialer. Paring polymerer av ulik spektralfølsomhet omgår disse vanskelighetene, noe som gjør tandem arkitekturer 2 et nødvendig innovasjons.
Series tandem enheter er den vanligste tandem arkitektur. I denne designen, et elektron transport maal, en valgfri metallisk rekombinasjon sjikt, og et hull transportlaget koble to uavhengige fotoaktive lag som kalles sub-celler. Kobling sub-celler i en serie-konfigurasjon øker den åpne krets spenning av kombinasjonsenheten. Noen grupper har hatt suksess med degenerately dopede lag transport 3-5, men flere grupper har anvendt partikler av gull eller sølv for å hjelpe til rekombinasjon av hull og elektroner i folien, 6,7.
I motsetning til dette, parallelle Tandem krever en høy ledningsevne elektrode, enten anode eller katode, som forbinder de to aktive lag. Folien, må være svært gjennomsiktig, noe som begrenser serien tandem plastfolier som inneholder metallpartikler, og enda mer for de parallelle tandem plastfolier består av tynne, sammenhengende metallelektroder. Karbon nanorør (CNT) ark viser høyere åpenhet enn metall lag. Så Nanotech Institute, i samarbeid med Shimane University, har introduced konseptet med å bruke som mellomlag elektrode i monolittiske innretninger, parallelle tandem 8.
Tidligere innsats kjennetegnet monolittisk, parallelle, tandem OPV enheter med CNT ark som fungerer som mellomlag anoder 8,9. Disse metodene krever spesiell omsorg for å unngå kortslutning av en eller begge celler eller skadelige foregående lag ved innskudd senere lag. Den nye metode som er beskrevet i denne artikkelen letter fabrikasjonen ved å plassere CNT elektrode på toppen av de polymere aktive lag av to enkeltceller, og deretter laminere de to separate enheter sammen som vist i figur 1. Denne fremgangsmåte er bemerkelsesverdig som anordningen, inkludert en luft -stable CNT katoden, kan være fabrikkert helt i omgivelsesbetingelser ansette bare tørr og løsning behandling.
CNT ark er ikke ubetinget gode katoder, som de krever n-type doping for å redusere arbeidsfunksjonen for å samle elektroner fra den fotoaktive regionenav en solcelle 10. Elektrisk dobbelt lag lading i en elektrolytt, slik som en ionisk væske, kan anvendes for å forskyve arbeidsfunksjon av CNT elektroder 11-14.
Som beskrevet i et av de foregående papir 15 og avbildet i figur 2, når portspenningen (V Gate) er øker, blir det arbeidet funksjon av CNT felles elektroden redusert, noe som skaper elektrode asymmetri. Dette hindrer hull samling fra OPV donor i favør av å samle elektroner fra OPV er akseptor, og enhetene slår seg på, forandrer seg fra ineffektiv photoresistor inn fotodiode 15 atferd. Det bør også bemerkes at den energien som brukes til å lade enheten og kraften tapt på grunn av gate lekkasjestrømmer er trivielt i forhold til kraften generert av solcelle 15. Ionisk gating av CNT elektroder har en stor effekt på arbeidsfunksjon på grunn av den lave tetthet av tilstander og den høyeoverflateareal til volum-forhold i CNT elektroder. Lignende fremgangsmåter er blitt brukt for å forsterke en Schottky barriere ved grenseflaten av CNT med n-Si 16.
Protocol
Representative Results
Discussion
Resultatene fremheve noen betraktninger når du utformer parallelt tandem solceller. Spesielt, hvis en av de sub-celler gir dårlige resultater, ytelse i tandem negativt påvirket. Resultatene viser at det er to hovedeffekter. Hvis en undercelle er kortsluttet, f.eks viser ohmsk oppførsel, FF T vil ikke være høyere enn FF av den dårlige sub-celle. J T V SC og T OC vil bli påvirket på samme måte. Dette er tilfelle når V Gate er lav og P3HT…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Support for this work was provided by DOE STTR grant DE-SC0003664 on Parallel Tandem Organic Solar Cells with Carbon Nanotube Sheet Interlayers and Welch Foundation grant AT-1617. The authors thank J. Bykova for providing CNT forests and A. R. Howard, K. Meilczarek, and J. Velten for technical assistance and useful discussions.
Materials
| Name of Material/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
| Poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly-(styrenesulfonate) | Heraeus | Clevios PVP AI 4083 | |
| poly(3- hexylthiophene-2,5-diyl) | Rieke Metals Inc. | P3HT: P200 | |
| phenyl-C61 -butyric acid methyl ester | 1- Material | PC61BM | |
| Poly({4,8-bis[(2-ethylhexyl)oxy]benzo[1,2-b:4,5-b′]dithiophene-2,6-diyl}{3-fluoro-2-[(2-ethylhexyl)carbonyl]thieno[3,4-b]thiophenediyl}) | 1- Material | PTB7 | |
| phenyl-C61 -butyric acid methyl ester | Solenne | PC71BM | |
| 1,8-Diiodooctane | Sigma Aldrich | 250295 | |
| Chlorobenzene | Sigma Aldrich | 284513 | |
| Indium Tin Oxide Coated Glass 15 Ohm/SQ | Lumtec | ||
| S1813 | UTD Cleanroom | ||
| MF311 | UTD Cleanroom | ||
| HCl | UTD Cleanroom | ||
| Acetone | Fisher Scientific | A18-20 | |
| Toluene | Fisher Scientific | T323-20 | |
| Methanol | BDH | BDH1135-19L | |
| Isopropanol | Fisher Scientific | A416-20 | |
| CEE Spincoater | Brewer Scientific | http://www.utdallas.edu/research/cleanroom/tools/CEESpinCoater.htm | |
| Contact Printer | Quintel | Q4000-6 | http://www.utdallas.edu/research/cleanroom/QuintelPrinter.htm |
| CPK Spin Processor | http://www.utdallas.edu/research/cleanroom/tools/CPKsolvent.htm | ||
| Spin Coater | Laurell | WS-400-6NPP/LITE | |
| Glove Box | M-Braun | Lab Master 130 | |
| Solar Simulator | Thermo Oriel/Newport | ||
| Keithley 2400 SMU | Keithley/Techtronix | 2400 | |
| Keithley 7002 Multiplexer | Keithley/Techtronix | 7002 | |
| Ultrasonic Cleaner | Kendal | HB-S-49HDT | |
| Micropipette | Eppendorf | 200uL | |
References
- 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. Nature Photonics. 6, 591-595 (2012).
- Yuan, Y., Huang, J., Li, G. Intermediate layers in tandem organic solar cells. Green. 1 (1), 65-80 (2011).
- Kim, J. Y., et al. Efficient tandem polymer solar cells fabricated by all-solution processing. Science. 317 (5835), 222-225 (2007).
- Yu, B., Zhu, F., Wang, H., Li, G., Yan, D. All-organic tunnel junctions as connecting units in tandem organic solar cell. Journal of Applied Physics. 104 (11), (2008).
- Schueppel, R., et al. Controlled current matching in small molecule organic tandem solar cells using doped spacer layers. Journal of Applied Physics. 107 (4), (2010).
- Hiramoto, M., Suezaki, M., Yokoyama, M. Effect of thin gold interstitial-layer on the photovoltaic properties of tandem organic solar cell. Chemistry Letters. 19 (3), 327-330 (1990).
- Xue, J., Uchida, S., Rand, B. P., Forrest, S. R. Asymmetric tandem organic photovoltaic cells with hybrid planar-mixed molecular heterojunctions. Applied Physics Letters. 85 (23), 5757 (2004).
- Tanaka, S., et al. Monolithic parallel tandem organic photovoltaic cell with transparent carbon nanotube interlayer. Applied Physics Letters. 94 (11), (2009).
- Mielczarek, K., Cook, A., Kuznetsov, A., Zakhidov, A. OPV Tandems with CNTS: Why Are Parallel Connections Better Than Series Connections. Low-Dimensional Functional Materials. , 179-204 (2013).
- Kim, J. Y., et al. Efficient tandem polymer solar cells fabricated by all-solution processing. Science. 317 (5835), 222-225 (2007).
- Kuznetsov, A. A. . Physics of electron field emission by self-assembled carbon nanotube arrays. , (2008).
- Kuznetzov, A. A., Lee, S. B., Zhang, M., Baughman, R. H., Zakhidov, A. A. Electron field emission from transparent multiwalled carbon nanotube sheets for inverted field emission displays. Carbon. 48 (1), 41-46 (2010).
- Zakhidov, A. A., Suh, D. -. S., et al. Electrochemically Tuned Properties for Electrolyte-Free Carbon Nanotube Sheets. Advanced Functional Materials. 19 (14), 2266-2272 (2009).
- Cook, A., Yuen, J. D., Zakhidov, A. Ion-Reconfigurable photovoltaic cells, hybrid tandems and photodetectors with CNT ionic gate. US Patent Application. 61, (2012).
- Cook, A. B., Yuen, J. D., Zakhidov, A. Electrochemically gated organic photovoltaic with tunable carbon nanotube cathodes. Applied Physics Letters. 103 (16), (2013).
- Wadhwa, P., Liu, B., McCarthy, M. A., Wu, Z., Rinzler, A. G. Electronic Junction Control in a Nanotube-Semiconductor Schottky Junction Solar Cell. Nanoletters. 10 (12), 5001-5005 (2010).
