Omgivande Sätt för framställning av ett joniskt Gated Nanorör Common Cathode i Tandem organiska 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 halvledare är de ledande ekologiska solceller (OPV) material på grund av hög absorptionsförmåga, goda transportegenskaper, flexibilitet och kompatibilitet med temperaturkänsliga substrat. OPV enhet effektomvandlingseffektivitet, η, har hoppat betydligt under de senaste åren, med en enda cell verkningsgrad så hög som 9,1% 1, vilket gör dem en allt livskraftig energiteknik.
Trots de förbättringar av η, de tunna optimala aktiva skikttjocklekar av enheterna begränsar ljusabsorption och hindra tillförlitlig tillverkning. Dessutom är den spektrala bredden på ljusabsorption av varje polymer begränsad jämfört med oorganiska material. Para ihop polymerer med olika spektrala känslighet förbi dessa svårigheter, vilket gör tandem arkitekturer 2 en nödvändig innovation.
Serie tandem enheter är den vanligaste tandemarkitektur. I denna konstruktion, en elektrontransport mateal, en valfri metall rekombination skikt, och ett skikt håltransport ansluta två oberoende fotoaktiva skikt kallas delceller. Länkning underceller i en seriekonfiguration ökar den öppna kretsspänningen av kombinationsanordningen. Vissa grupper har haft framgång med degenerately dopade transportlager 3-5, men fler grupper har använt partiklar av guld eller silver för att underlätta rekombination av hål och elektroner i mellanskiktet 6,7.
Däremot parallella tandem kräver en hög ledningsförmåga elektrod, antingen anod eller katod, som förbinder de två aktiva skikten. Mellanskiktet måste vara mycket öppet, vilket begränsar serie tandem mellanskikt som innehåller metallpartiklar, och än mer så för de parallella tandem mellanskikt som består av tunna, kontinuerliga metallelektroder. Kolnanorör (CNT) ark uppvisar högre transparens än metallager. Så Nanotech Institute i samarbete med Shimane University, har introducerad konceptet att använda som mellanskiktet elektrod i monolitiska, parallella tandemanordningar 8.
Tidigare insatser presenterade monolitiska, parallella, tandem OPV enheter med CNT ark fungerar som mellanskikt anoder 8,9. Dessa metoder kräver särskild omsorg för att undvika kortslutning av en eller båda celler eller skadliga föregående skikt vid insättning senare skikt. Den nya metod som beskrivs i detta dokument underlättar tillverkning genom att placera CNT elektroden ovanpå de polymera aktiva skikten av två enskilda celler och sedan laminera de två separata enheterna tillsammans som visas i figur 1. Denna metod är anmärkningsvärt eftersom enheten, inklusive en luft -Stabil CNT katod, kan tillverkas helt i omgivningsförhållanden sysselsätter endast torr och lösningen bearbetning.
CNT-arken är inte i sig goda katoder, eftersom de kräver n-typ dopning för att minska arbetsfunktion i syfte att samla elektroner från den fotoaktiva områdeav en solcell 10. Elektrisk dubbellager laddning i en elektrolyt, såsom en jonisk vätska, kan användas för att förskjuta arbetsfunktion av CNT elektroder 11-14.
Som beskrivits i ett tidigare papper 15 och visas i figur 2, när styrspänning (V Gate) är ökar, arbetsfunktion CNT gemensamma elektroden minskat, skapar elektrod asymmetri. Detta förhindrar hål samling från OPV: s givare till förmån för insamling av elektroner från OPV: s acceptor, och enheterna slås PÅ, byte från ineffektiv fotoresistorn till fotodioden 15 beteende. Det bör även noteras att den energi som används för att ladda enheten och den energi som förloras på grund av att grindläckströmmar är trivialt i jämförelse med den effekt som genereras av solcellen 15. Ionic gating av CNT elektroder har en stor effekt på arbetsfunktion på grund av den låga densiteten av stater och den högaytarea till volymförhållande i CNT elektroder. Liknande förfaranden har använts för att förstärka en Schottky-barriär vid gränsytan mellan CNT med n-Si-16.
Protocol
Representative Results
Discussion
Resultaten belyser några överväganden vid utformningen av parallelltandemsolceller. Noterbart är om någon av de under cellerna fungerar dåligt, tandem prestanda i påverkas negativt. Resultaten visar att det finns två huvudsakliga effekter. Om en delcell är kortsluten, till exempel, visar ohmsk beteende, FF T inte skall vara högre än den FF av den dåliga delcellen. J T SC och V T OC kommer att påverkas på samma sätt. Detta är fallet när V <s…
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).
