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Engineering

对于一个以离子门控碳纳米管共阴极的串联有机太阳能电池的生产环境法

doi: 10.3791/52380 Published: November 5, 2014

Introduction

聚合物半导体是领先的有机光伏(OPV)材料,由于高吸收率,良好的输送性,柔韧性,和兼容性与温度敏感的基材。 OPV器件的电源转换效率,η,有显著在过去几年里跳下来,单电池效率高达9.1%1,使他们日益可行的能源技术。

尽管η改进,薄最佳的活性层厚度的设备的限制光的吸收,阻碍可靠的制造。此外,各聚合物的光吸收频谱宽度是有限相比,无机材料。不同的光谱感光度的配对聚合物绕过这些困难,使得串联结构2的必要的创新。

串联的串联装置是最常见的串联结构。在本设计中,电子传输相关材料人,一个可选的金属结合层,和空穴传输层连接两个独立的光敏层被称为子单元。在串联配置连接子细胞增加了组合装置的开路电压。一些基团已与简并掺杂输运层3成功- 5,但更多组已使用的金或银颗粒以帮助空穴和电子的复合而在层间6,7。

与此相反,平行串联物需要高导电性的电极,无论是阳极或阴极,连接两个有源层。间必须是高度透明的,这限制了含有金属颗粒系列串联隔层,并且更是由于薄的,连续的金属电极构成的平行串列夹层。碳纳米管(CNT)的片材显示出比金属层更高的透明度。因此,纳米技术研究所,与岛根大学合作,具有INTroduced使用如单片,平行汇接设备8的层间电极的概念。

以前的努力功能单一,平行,串联OPV与碳纳米管片材用作中间层的阳极8,9的设备。这些方法需要特别的照顾,当沉积层后,以避免一个或两个细胞或损坏之前的层短路。在本文中描述的新方法,通过将所述CNT电极上的两个单电池的聚合物活性层的顶部简化制造,然后层叠在两个分离的设备一起,如图1中所示此方法是显着的设备,包括一个空气-STABLE CNT阴极,可在环境条件下制造的完全只采用干和解决方案处理。

碳纳米管片材是不本质上良好的阴极,因为它们需要n型掺杂来降低功函数,以收集从光活性区中的电子一个太阳能电池10。双电层中的电解质的充电,如离子性液体,可用于移动CNT的功函数的电极11 - 14。

如在图2中,当栅电压(V )是增大描述在前面的纸15和描绘的,该CNT公共电极的功函数被降低,造成电极的不对称性。这可以防止空穴收集从OPV的捐助有利于从OPV的受体收集电子和器件导通,从低效的光敏电阻转变为光电二极管15的行为。还应当指出的是,能用于装置和由于栅极漏电流损失的电力进行充电的琐碎相比由太阳能电池15产生的功率。的碳纳米管电极的离子门控对工作职能有很大的影响,由于国家的低密度和高表面积,以在CNT电极的体积比。类似的方法已被用于提高在碳纳米管与n型Si 16的界面的肖特基势垒。

Protocol

1.铟锡氧化物(ITO)的图案化和清洗

注:使用15Ω/□的ITO玻璃,以及购买或削减ITO玻璃为适合旋涂和光刻尺寸。它是最有效的执行步骤1.1-1.7上的一块玻璃尽可能大的,然后把它切成更小的设备。还注意的是,步骤1.1-1.7所需要的ITO玻璃被导向与ITO的一面朝上。这可以很容易地用万用表的电阻设置进行检查。

  1. 旋涂将1ml S1813阳性光致抗蚀剂到ITO玻璃的ITO侧在1分钟的速率为3000转。使用更多的抵御较大的玻璃碎片,确保整个玻璃涂层,并开始旋转涂布机之前删除任何气泡。
  2. 退火的抗蚀剂涂布的玻璃,在热板上,在115℃下1分钟。
  3. 加载样品和掩模上的接触对准。
  4. 揭露光刻胶涂布ITO玻璃的Appro公司priate时间。曝光时间大约是10秒,但改变该时间基于所述UV灯的强度,光致抗蚀剂的类型和厚度。
  5. 开发UV暴露在基板MF311开发。自旋处理器的自动化过程中产生的最好的和最可重复的结果,但发展可以手工完成的遵循。
    1. 淹没的紫外线曝光的衬底为在显影剂1分钟,随后漂洗在去离子(DI)水中,并用氮气枪干燥。因为开发人员很快失去强度,更换样品之间的开发者,或者重复使用开发时交替增加开发时间。
  6. 蚀刻在浓盐酸(HCl)在ITO基材上。这需要5-10分钟之间依赖于盐酸的浓度。冲洗的去离子水,干燥,并测试蚀刻部分的电阻率用万用表。如果任何导电性依然存在,蚀刻的时间较长。
  7. 一旦蚀刻完成后,除去p-hotoresist用丙酮。注意,迅速清除该光致抗蚀剂可以防止残余的HCl从过蚀刻所述图案化的ITO。
  8. 如果需要的话,切蚀刻ITO玻璃基板成设备的尺寸。
  9. 干净的浴中超声发生器的ITO基材中溶剂的顺序 - 去离子水,丙酮,甲苯,甲醇,最后异丙醇。

2. OPV子细胞的制备

  1. 准备P3HT:PC 61 BM的解决方案。
    注:对于最一致的结果,在氮气环境中制备的溶液。因此能够按照此过程中的环境条件。
    1. 找到并记下了两个干净的,〜4个毫升的玻璃小瓶和他们的帽子的质量,并与记号笔标注从另一个区别开来。
    2. 在氮气或氩气的手套箱中,转移大约10毫克的聚(3-己基噻吩-2,5-二基)(P3HT)的一个小瓶中,大约10毫克的苯基-C 61 -丁酸甲酯(PÇ61 BM)到另一个。
    3. 再次称重小瓶找到P3HT与PC 61 BM的质量。
    4. 传输与P3HT和PC 61 BM小瓶到手套箱的解决方案制定过程的其余部分。
    5. 加入磁力搅拌棒放入每个小瓶中,然后够氯苯添加到每个创建45毫克/毫升的溶液。
    6. 放置在磁力搅拌下加热板的解决方案,在55℃下为约2小时或直到溶质已完全溶解。
    7. 混合的P3HT和个人电脑61等体积的BM溶液一起,并让该混合溶液搅拌为在使用前1小时。
  2. 准备PTB7:PC 71 BM的解决方案。
    1. 重复步骤2.1.1至2.1.4与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}) (PTB7)和苯基- 7,1 -丁酸甲酯(PC 71 BM)代替P3HT和PC61 BM。
    2. 使3%的混合物(体积)1,8- diiodooctane(DIO)的氯苯。这种混合物称为DIO-CB。
    3. 加入磁力搅拌棒放入每个小瓶中,然后加入足量的DIO-CB的PTB7小瓶有12毫克/毫升的溶液和足够的DIO-CB到PC 71 BM小瓶有40毫克/毫升的溶液。
    4. 让这些溶液搅拌的加热板上,在70℃下搅拌2天。
    5. 混合溶液中PTB7的PC机71 1 BM〜1.5的重量比。
    6. 让使用在70℃下将混合溶液搅拌一小时之前。
  3. 通过0.45μm孔径的尼龙过滤器过滤聚(3,4-亚乙二氧基):聚(苯乙烯磺酸盐)(PSS的PEDOT)。注意:此过程使用P VP AI4083。
  4. 旋转涂覆活性层。
    1. 置于清洁的ITO基板,ITO-朝上,变成紫外线臭氧清洁器5分钟。
    2. 旋涂层120微升过滤的PEDOT:PSS到紫外线臭氧处理,图案化的ITO-玻璃基板s的转数3000rpm,1分钟。这应该产生一个30纳米厚的层。
    3. 退火的PEDOT:PSS涂覆的ITO基材5分钟,在180℃下。
    4. 旋涂层70微升混合的P3HT:PC 61 BM溶液涂布PEDOT:PSS涂覆的ITO基板在大约1,000rpm的转速1分钟。变化的速率根据需要以沉积200nm厚的有源层。
    5. 退火的P3HT:PC 61 BM涂覆的基材在170℃下5分钟。结果可能会在最佳的退火温度而变化。
    6. 旋涂层70微升混合PTB7的:PC 71 BM溶液涂布PEDOT:PSS涂覆的ITO基板在大约700rpm的转速1分钟。变化的速率根据需要以沉积100nm厚的有源层。
    7. 加载PTB7:PC 71 BM涂覆的基材成高真空(<2×10 -6 Torr)的腔室,以除去残留的DIO。通常情况下,保留样品室O / N。

3.编造汇接设备

<OL>
  • 层压CNT电极。
    1. 切PTB7和P3HT基板的一半,使串联设备。一个专门ITO图案并不需要这一步。在ITO图案应具有至少两个平行的ITO电极从一个边缘延伸到1毫米远离另一个。
    2. 首先通过从玻璃的边缘聚合物和PEDOT擦去制备PTB7和P3HT的涂覆的基材,和露出的ITO条如在图1的第一面板看到哪个将用作公共电极。
    3. 层叠的PTB7和P3HT电极上边所述CNT公共电极。通过将滤纸在CNT侧的设备上,轻轻按压,然后剥离该滤纸远离施加的SWCNT膜。这示于图1中的第二面板。
    4. 通过将甲氧基-九氟丁烷致密化的CNT电极上的表面(C 4 F 9 OCH 3)(HFE)和通过涂布该CNT具有小amou液体新台币,然后让它干枯脱落。
    5. 擦去在ITO上的顶部和玻璃将具有栅电极, 如图1中的第三面板的聚合物和CNT,从玻璃中取出所有的聚合物,以防止用刀片栅极泄漏。
    6. 层叠在CNT栅电极上PTB7和P3HT涂覆的基材的清洁区域。通过从多壁碳纳米管林用刀片的边缘拉层叠的多壁碳纳米管,并让片立自如一些毛细管之间。通过独立片传递设备层叠在CNT上的设备。栅极电极应具有层的2-3倍的数量为铺设到共用电极。
    7. 压实与HFE栅电极。
  • 放置离子液体的一小滴(≈10微升),N,N- -Diethyl- N-甲基-N - (2-甲氧基乙基)铵四氟硼酸盐,DEME-BF 4,在一个两CNT电极的顶的底物。
  • 小心地放置在衬底上,而不具有离子液体上的每个-其他顶部共用电极和栅电极的基板的顶部的离子型液体。这示于图1中的最后一个面板。
  • 放置有孔径大小比在有源区域中的电极尺寸较小的光掩模。使用小片段以保持光掩模的地方,以及在测试过程中保持在一起的装置。
  • 4.测量设备

    1. 传送装置进入测量手套箱。
    2. 进行电气连接。
      1. 连接的共用电极,并与共同作为接地的栅极电极之间的栅极供电。
      2. 连接两个ITO阳极到它们被连接到一个开关,它允许用户选择任一阳极或两者的阳极导线。
      3. 该开关的输出端连接到所述源测量单元的输入端。
      4. 连接源MEAS的理由茜单元对共用电极。
    3. 通过反复的升V 以下步骤测量设备的IV特性。
      1. 设V 下一个值,从V 0.25 V.增量开始= 0 V至V = 2 V
      2. 等待5分钟,或直至栅极电流是稳定的。理想的情况下,栅极电流应稳定在毫微安的10秒。
      3. 将开关设置到两个子细胞中。
      4. 打开电灯快门。
      5. 运行电压扫描的源测量单元从-1伏到1伏在约100增量或更多。
      6. 运行1伏电压扫描到-1伏。
      7. 关闭灯快门。
      8. 再次运行电压扫描。
      9. 将开关设置到前面的子细胞。
      10. 重复步骤4.3.4至4.3.8。
      11. 将开关设置到后面的子细胞。
      12. 重复步骤4.3.4至4.3.8。
    4. 计算装置的参数。 <OL>
    5. 发现每个子小区在每个V 的短路电流(J SC),通过确定当前由该装置时产生跨过子小区的电压为0V。
    6. 发现每个子小区在每个V 的开路电压(V OC),通过找到由该装置所产生的电压,当电流通过子小区是0A。
    7. 发现从太阳能电池的输出最大功率乘以各电压值与各电流值,选择最大(最负)值。这假定1测量光生电流作为负电流。
    8. 发现功率转换效率(η)除以最大功率由输入光功率。
    9. 找到的填充因子(FF)除以最大功率地被J SC和V OC的乘积。

    Representative Results

    从不同的聚合物,显著不同的带隙特别是聚合物,形成串联设备的实际利益,因为这些设备可以吸收光线的最大的光谱范围。在此器件结构中,PTB7子小区是背面细胞和P3HT是前面的子小区。这是为了吸收的光的量最大为P3HT子小区在很大程度上是透明的,由PTB7子细胞吸收的波长更长的光。为清楚起见,太阳能电池的参数,V OC,J SC,FF和η指的是串联,前面或分别回单元时将被装饰的标T,FB中表1显示了这些缩写。

    精选的电流电压曲线的装置示于图3中 ,与图4中提取的太阳能电池参数。可以观察到,在PTB7子小区在低得多的V 比P3HT子小区(前)(后)导通。 图4示出了PTB7细胞开始导通时V = 0.5 V和围绕V = 1.5 V的前副峰β细胞显示了周围V = 1.0V的接通的迹象,但并不能完全开启下面V = 2.0V。V T,OCFFŤ模仿越差子小区的行为,是比前面的子略高胰岛β细胞的V <2.0 V和比V 回电池略高> 2.0 V.Ĵ 牛逼 SC远比歼 fsc和J B SC为V <1.5 V的总和少,之后点目前除了是相当不错的。 ηT小于所有V ηFηB的更大除了在1.5V。

    穷人增加电流与效率y表示低V 似乎是由于向前方的子电池充当在其关断状态的旁路。这是从前面单元的高度线性曲线和串联在V = 1.5 V在图3中看到的,相反,后PTB7背面细胞已退化,(在V = 2.25 V)时,它仍保持着一个二极管特性,如在图3中示出的曲线,因此不作为一个分流。这导致另外ĴSC的,但V T,OC,FF TηT分别减少由于低V OC。而该过程从它的简单绘制的鲁棒性,也有在材料由于手工处理的变化和批与批之间的变化。这可能会导致在接通电压的±0.25 V和峰值效率的变化在±0.5%。这种变化可以用一个更自动化的方法来降低。

    LT =“图1”SRC =“/文件/ ftp_upload / 52380 / 52380fig1highres.jpg”/>
    图1串联装置的设计过程的加工和层压工艺应用于建筑所述离子门控串联OPV,带箭头的描绘顺序。最终的器件结构的示意图显示在左下角, 请点击这里查看该图的放大版本。

    图2
    图2.串联装置带和电路图。该串联装置的近似带图所示沿着侧的设备的电气图。阴影区域以在CNT电极箭头表示移功函数。下面的实线和电路元件示出了电连接。jove.com/files/ftp_upload/52380/52380fig1large.jpg“TARGET =”_空白“>请点击这里查看该图的放大版本。

    图3
    图3.所选择的IV曲线。IV曲线的V (1.5V),其中背面(PTB7)细胞显示了其最好的性能和更高的V (为2.25V),其中前(P3HT)的细胞显示其最佳性能。 “T”和圆表示串列曲线,“F”和正方形的前部,及'B'和三角形的背面。

    图4
    图4.设备参数。从IV测量提取V 太阳能电池参数= 0.5 V到V = 2.25 V.'T'和黑色方块表示串联的曲线,“F”和蓝色三角形的前部,及'B'和红色圆圈的背面。虚线表示的结果为降OPV器件的电压扫描,而实线表示的上升的效果。

    OPV参数 测量子小区
    串联
    V OC V T,OC V F OC V B OC
    ĴSC Ĵ 牛逼 SC Ĵ fsc ĴB SC
    FF FF 牛逼 FF˚F FF B
    η η 牛逼 η˚F ηB

    表1.参数的缩写。总结太阳能电池参数的缩写。上标,T,F和 B分别表示串联,正面和背面分别。

    Discussion

    设计并行串联太阳能电池时,研究结果强调了几个方面的考虑。值得注意的是,如果该子单元的一个表现不佳,在串联的性能产生负面影响。结果表明,存在两个主要的效果。如果一个子单元被短路, 例如 ,示出的欧姆特性,在FF T将不会比坏子小区的FF更高。 Ĵ 牛逼 SCV T,OC将受到类似的影响。是这种情况时,V 低,P3HT子小区还没有接通。

    相反,如果一个子电池具有良好的二极管特性,但低V OC或按J SC,JŤSC是近了J fsc和J B SC上的总和。然而,如果存在的每个子组电池V OC之间的差大,则V T,OC为几乎等于较小V OC。这样的表现证明WH连接V 高并且PTB7单元已经关断。的ηT可以是在壳体稍高,但仍可能会低于单独的更好的子细胞。

    背面子小区先于前子小区接通了意想不到的子小区共用栅极和公共电极。其阴极的功函数,并在ITO和阴极之间的电极不对称因此程度,应该是相同的。此外,背面子小区示出了较高的V OC比前面的子细胞,并应要求较大电极不对称相接通之前的工作函数比前面的子细胞,因而较大的V

    鉴于PTB7聚合物的下HOMO能级,它可能是抑制空穴注入/抽取更迅速地发生在PTB7,因此设备将开启以较低的V 。其他效果要考虑的是以下事实PTB7是一个共聚物,它是一个交替的施主和受主单元组成的聚合物。这可能对聚合物和碳纳米管共用电极之间产生的界面偶极子产生影响。

    本文中所描述的程序适用于该遵循以下限制的应用程序。所述半导体活性材料不能是可溶的或由离子性物质的不利影响。在发光元件或光电转换装置的情况下,阳极和半导体层不应该是不透明的,在相同的光谱区。给定这些约束条件,有可能将这些技术应用到有机发光二极管,有机场效应晶体管和类似的无机器件。

    总之,这具有比常规加工方法的好处平行叠层器件的制造方法进行说明。该方法不需要真空处理,是可伸缩的,可在环境条件下进行,每个有源层被制成以最优方式,减少了短路的发生率,并简化处理。突出特点是确定了平行OPV的双人操作。而整体效率有些低,进一步改进可以通过优化光活性层和CNT电极制成。此外,如果子小区导通的同时,用3%的ηT公司将被观察到。

    Materials

    Name Company Catalog Number Comments
    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
    Name Company Catalog Number Comments
    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 200 µl

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    References

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    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).More

    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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