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