Summary

Método ambiente para a produção de um Common Cathode ionicamente fechado de Nanotubos de Carbono em Células solares orgânicas Tandem

Published: November 05, 2014
doi:

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

Semicondutores poliméricos são os principais fotovoltaicos orgânicos (OPV) de materiais, devido à alta absortividade, boas propriedades de transporte, flexibilidade e compatibilidade com substratos sensíveis à temperatura. Dispositivos OPV eficiência de conversão de energia, η, saltaram significativamente nos últimos anos, com a eficiência de células únicas tão elevadas como 9,1% 1, tornando-se uma tecnologia de energia cada vez mais viável.

Apesar das melhorias em η, as finas ideais espessuras camada ativa dos dispositivos de limitar a absorção de luz e impedem a fabricação de confiança. Além disso, a largura espectral de absorção de luz de cada polímero é limitada em comparação com materiais inorgânicos. Polímeros de emparelhamento de diferentes sensibilidade espectral ignora estas dificuldades, fazendo com que as arquiteturas em tandem 2 a inovação necessária.

Dispositivos em tandem Series são a arquitetura conjunto mais comum. Neste projeto, um materi transporte de elétronsai, uma camada metálica opcional a recombinação, e uma camada de transporte furo ligar duas camadas independentes fotoactivos chamados sub-células. Ligando sub-células numa configuração em série aumenta a tensão do circuito aberto do dispositivo de combinação. Alguns grupos tiveram sucesso com camadas de transporte degenerately dopados 3-5, mas mais grupos usaram partículas de ouro ou prata para ajudar a recombinação de buracos e elétrons na camada intermediária 6,7.

Em contraste, tandens paralelas requerem um eléctrodo de alta condutividade, qualquer um ânodo ou cátodo, juntando-se as duas camadas activas. O intercalar deve ser altamente transparente, o que limita intercalares em tandem série contendo partículas metálicas, e mais ainda para as intercalares em tandem paralelas compostas de finos, eletrodos metálicos contínuos. Os nanotubos de carbono (CNT) folhas apresentam maior transparência do que camadas de metal. Assim, o Instituto NanoTech, em colaboração com a Universidade de Shimane, tem introduced o conceito de usar como camada intermédia do eléctrodo em dispositivos monolíticos, em tandem paralelas 8.

Esforços anteriores, caracterizado, dispositivos de conjunto OPV paralelas monolíticos de folhas CNT que funcionam como ânodos entre camadas 8,9. Estes métodos exigem um cuidado especial para evitar curto-circuito de uma ou ambas as células ou camadas anteriores prejudiciais ao depositar camadas posteriores. O novo método descrito no presente documento facilita a fabricação, colocando o eléctrodo CNT no topo das camadas poliméricas activas de duas células individuais, em seguida, laminando os dois dispositivos separados em conjunto, como mostrado na Figura 1. Este método é notável quanto o dispositivo, incluindo um aparelho de ar -stable cátodo CNT, pode ser fabricado totalmente em condições ambientais empregando apenas de processamento a seco e solução.

Folhas CNT não são intrinsecamente boas catodos, como eles exigem n-type doping para diminuir a função de trabalho, a fim de coletar os elétrons da região fotoativode uma célula solar 10. Carregamento eléctrico de dupla camada dentro de um electrólito, tal como um líquido iónico, pode ser usado para deslocar a função de trabalho dos eléctrodos CNT 11-14.

Conforme descrito num artigo anterior 15 e representada na Figura 2, quando a tensão da porta (gate V) é aumenta, a função de trabalho do eléctrodo comum CNT é diminuída, criando eléctrodo de assimetria. Isso evita coleção buraco do doador da OPV em favor da coleta de elétrons do receptor da OPV, e os dispositivos de ligar, mudando de photoresistor ineficiente em fotodiodo 15 comportamento. Deve também ser notado que a energia utilizada para carregar o dispositivo e o poder perdido devido a correntes de fuga portão é menor em comparação com a energia gerada pela célula solar 15. Gating Ionic de eletrodos CNT tem um grande efeito sobre a função de trabalho, devido à baixa densidade de estados ea altarazão entre superfície e volume, em eléctrodos CNT. Métodos semelhantes têm sido utilizados para melhorar uma barreira Schottky na interface do CNT com n-Si 16.

Protocol

1. Índio Tin Oxide (ITO) Padronização e Limpeza NOTA: Use 15Ω / □ ITO vidro, e compra ou cortar o vidro ITO em tamanhos adequados para o revestimento de rotação e fotolitografia. É mais eficiente para realizar os passos 1,1-1,7 em um pedaço de vidro tão grande quanto possível, e, em seguida, cortá-la em dispositivos menores. Observe também que os passos 1,1-1,7 exigir o vidro ITO a ser orientado com o ITO-side up. Isto pode ser verificado facilmente com ajuste de resistência de …

Representative Results

Um dispositivo conjunto formado a partir de polímeros, particularmente polímeros de lacunas banda significativamente diferenciados, diferindo é de interesse prático como esses dispositivos podem absorver a maior faixa espectral da luz. Nesta estrutura do dispositivo, o sub-celular PTB7 é a célula de volta e P3HT-se do sub-celular da frente. Este destina-se a absorver a maior quantidade de luz como o sub-celular P3HT é em grande parte transparente para a luz de comprimento de onda mais absorvida pelo sub-celular P…

Discussion

Os resultados destacam algumas considerações ao projetar células solares em série paralelo. Notavelmente, se uma das sub-células é um mau desempenho, o desempenho do conjunto de afetados negativamente. Os resultados mostram que existem dois efeitos principais. Se uma sub-célula é curto, por exemplo, mostra um comportamento ôhmico, a FF T haverá maior do que o FF da sub-célula ruim. J T SC e V T OC serão igualmente afetados. Este é o caso quando…

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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Cite This Article
Cook, A. B., Yuen, J. D., Micheli, J. W., Nasibulin, A. G., Zakhidov, A. Ambient Method for the Production of an Ionically Gated Carbon Nanotube Common Cathode in Tandem Organic Solar Cells. J. Vis. Exp. (93), e52380, doi:10.3791/52380 (2014).

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