Método ambiente para la producción de un cátodo común iónicamente cerrada nanotubos de carbono en las células solares en tándem Orgánica
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
Semiconductores de polímero son los fotovoltaicos orgánica (OPV) materiales principales debido a la alta capacidad de absorción, buenas propiedades de transporte, la flexibilidad, y la compatibilidad con sustratos sensibles a la temperatura. Dispositivos OPV eficiencia de conversión de energía, η, se han subido significativamente en los últimos años, con eficiencias de células individuales de hasta 9.1% 1, por lo que una tecnología de energía cada vez más viable.
A pesar de las mejoras en η, los espesores de las capas delgadas activos óptimos de los dispositivos limitan la absorción de luz y dificultan la fabricación confiable. Además, la anchura espectral de absorción de la luz de cada polímero está limitada en comparación con materiales inorgánicos. Polímeros de emparejamiento de diferente sensibilidad espectral no pasa por estas dificultades, por lo que las arquitecturas tándem 2 una innovación necesaria.
Dispositivos en tándem de la serie son la arquitectura tándem más común. En este diseño, un materi de transporte de electronesal, una capa de recombinación metálica opcional, y una capa de transporte de huecos se conectan dos capas fotoactivas independientes llamados sub-células. La vinculación de sub-células en una configuración en serie aumenta la tensión de circuito abierto del dispositivo de combinación. Algunos grupos han tenido éxito con capas de transporte dopadas degeneradamente de 3 – 5, pero más grupos han utilizado partículas de oro o plata para ayudar a la recombinación de huecos y electrones en la capa intermedia 6,7.
En contraste, los tándems paralelas requieren un electrodo de alta conductividad, ya sea ánodo o cátodo, que une las dos capas activas. La capa intermedia debe ser altamente transparente, lo que limita la serie en tándem capas intermedias que contienen partículas metálicas, y más aún para las capas intermedias en tándem paralelas, compuestas de electrodos de metal delgada y continua. Los nanotubos de carbono (CNT) hojas muestran mayor transparencia de capas de metal. Así que el Instituto NanoTech, en colaboración con la Universidad de Shimane, tiene introducido el concepto de usar como el electrodo en capa intermedia, dispositivos en tándem paralelas monolíticos 8.
Los esfuerzos previos del momento, OPV, dispositivos tándem paralelas monolíticas con hojas de la CNT que funcionan como ánodos de capa intermedia 8,9. Estos métodos requieren un cuidado especial para evitar el cortocircuito de una o dos células o capas precedentes perjudiciales al depositar capas posteriores. El nuevo método descrito en este documento facilita la fabricación colocando el electrodo de CNT en la parte superior de las capas activas poliméricos de dos células individuales, a continuación, laminación de los dos dispositivos separados entre sí como se muestra en la Figura 1. Este método es notable como el dispositivo, incluyendo un aire -stable cátodo CNT, puede ser fabricado en su totalidad en las condiciones ambientales que emplea sólo el procesamiento seco y la solución.
Hojas de CNT no son intrínsecamente buenas cátodos, ya que requieren el dopaje de tipo n para disminuir la función de trabajo a fin de recoger los electrones de la región fotoactivade una célula solar 10. Eléctrico de doble capa de carga en un electrolito, tal como un líquido iónico, se puede utilizar para cambiar la función de trabajo de CNT electrodos 11-14.
Como se describe en un documento anterior y 15 representado en la Figura 2, cuando el voltaje de puerta (V GATE) está aumenta, la función de trabajo del electrodo común CNT se disminuye, creando asimetría del electrodo. Esto evita que la colección agujero de donante de la vacuna antipoliomielítica oral en favor de la recogida de electrones del aceptador de la OPV, y los dispositivos de encender, cambiar de fotoresistor ineficiente en fotodiodo 15 comportamiento. También debe tenerse en cuenta que la energía utilizada para cargar el dispositivo y la potencia perdida debido a las corrientes de fuga puerta es trivial en comparación con la energía generada por la célula solar 15. Gating iónica de electrodos CNT tiene un gran efecto sobre la función de trabajo debido a la baja densidad de estados y el altorelación de superficie a volumen en los electrodos de la CNT. Métodos similares se han utilizado para mejorar una barrera Schottky en la interfase de CNT con n-Si 16.
Protocol
Representative Results
Discussion
Los resultados ponen de manifiesto algunas consideraciones en el diseño de células solares en tándem paralelo. Cabe destacar que, si uno de los sub-células está realizando mal, el rendimiento en tándem afectada negativamente. Los resultados muestran que hay dos efectos principales. Si está en corto un sub-celular, por ejemplo, muestra un comportamiento óhmico, el FF T no será mayor que el FF de la mala sub-celular. J T SC y V T OC se verán afectad…
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
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