Méthode ambiante pour la production d'un ionique Gated nanotubes de carbone cathode commune dans les cellules solaires organiques 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
Semi-conducteurs polymères sont les principaux photovoltaïques organiques (OPV) matériaux raison de la forte capacité d'absorption, de bonnes propriétés de transport, la flexibilité, et la compatibilité avec des substrats sensibles à la température. Dispositif VPO efficacité de conversion de puissance, η, ont augmenté considérablement au cours des dernières années, avec l'efficacité des cellules simples aussi élevées que 9,1% 1, les une technologie d'énergie de plus en plus viable faire.
Malgré les améliorations dans η, les minces optimales des épaisseurs de couches actives des dispositifs limitent l'absorption de lumière et empêchent la fabrication fiable. En outre, la largeur spectrale de l'absorption de lumière de chaque polymère est limitée par rapport aux matériaux inorganiques. Polymères appariement des différentes sensibilité spectrale contourne ces difficultés, ce qui rend les architectures en tandem 2 Une innovation nécessaire.
Dispositifs série en tandem sont l'architecture en tandem le plus commun. Dans cette conception, un materi de transport d'électronsAl, une couche métallique de recombinaison facultatifs, et une couche de transport de trous relient deux couches photoactives indépendantes appelées sous-cellules. Liaison sous-cellules dans une configuration en série augmente la tension du dispositif de combinaison de circuit ouvert. Certains groupes ont eu du succès avec les couches de transport dégénéré dopées 3 – 5, mais plusieurs groupes ont utilisé des particules d'or ou d'argent pour aider la recombinaison de trous et d'électrons dans la couche intermédiaire 6,7.
En revanche, les tandems parallèles nécessitent une électrode à haute conductivité, soit anode ou de cathode, l'assemblage des deux couches actives. La couche intermédiaire doit être très transparent, ce qui limite les intercalaires en tandem de la série contenant des particules métalliques, et plus encore pour les intercalaires en tandem parallèles composées de fines électrodes métalliques continues. nanotubes de carbone (CNT) feuilles montrent une plus grande transparence de couches métalliques. Ainsi, le Nanotech Institute, en collaboration avec l'Université de Shimane, a introduit l'idée d'utiliser comme électrode de couche intermédiaire dans des dispositifs monolithiques, 8 parallèles en tandem.
Les efforts précédents sélectionnée monolithiques, parallèles, appareils tandem de VPO avec des feuilles CNT fonctionnant comme anodes entre les couches 8,9. Ces méthodes nécessitent des soins spéciaux pour éviter un court-circuit d'un ou de deux cellules ou des couches précédentes dommageables au moment du dépôt des couches ultérieures. Le nouveau procédé décrit dans ce document facilite la fabrication en plaçant l'électrode CNT au-dessus des couches actives polymères de deux cellules individuelles, puis la stratification des deux dispositifs séparés ensemble comme représenté sur la figure 1. Ce procédé est remarquable que le dispositif, y compris l'air -stable cathode CNT, peut être fabriqué entièrement dans les conditions ambiantes en utilisant seulement le traitement à sec et solution.
Feuilles CNT ne sont pas intrinsèquement bonnes cathodes, car ils nécessitent dopage de type n de diminuer la fonction de travail afin de recueillir des électrons de la zone photosensibled'une cellule solaire 10. À double couche électrique de charge dans un électrolyte, comme un liquide ionique, peut être utilisé pour déplacer la fonction de travail de CNT électrodes 11-14.
Comme décrit dans un papier précédent et 15 représentée sur la figure 2, lorsque la tension de grille (V Gate) est augmente, la fonction de travail de l'électrode commune CNT est diminuée, ce qui crée une asymétrie électrode. Cela empêche la collecte de trou de bailleur de fonds du VPO en faveur de la collecte des électrons de l'accepteur de l'OPV, et les appareils sous tension, changement de photorésistance inefficace dans photodiode 15 comportement. Il convient également de noter que l'énergie utilisée pour charger l'appareil et la puissance perdue en raison des courants de fuite de grille est insignifiant comparé à l'énergie produite par la cellule solaire 15. Déclenchement ionique d'électrodes CNT a un grand effet sur la fonction de travail en raison de la faible densité d'états et la hauteaire de surface par rapport au volume dans les électrodes de CNT. Des procédés similaires ont été utilisées pour améliorer une barrière de Schottky à l'interface de CNT avec du n-Si 16.
Protocol
Representative Results
Discussion
Les résultats mettent en évidence quelques considérations lors de la conception des cellules solaires tandem parallèle. Notamment, si l'un des sous-cellules est peu performant, les performances du tandem dans négativement affectée. Les résultats montrent qu'il existe deux principaux effets. Si une sous-cellule est court-circuitée, par exemple, montre un comportement ohmique, la FF T ne sera pas plus élevé que la FF de la sous-cellule mauvais. J T SC et V T…
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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