Ambient Verfahren zur Herstellung eines ionisch Gated Carbon Nanotube Gemeinsame Kathode in Tandem Organische Solarzellen
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
Polymerhalbleitern sind die führenden organischen Photovoltaik (OPV) Materialien durch hohe Saugfähigkeit, gute Transporteigenschaften, Flexibilität und Kompatibilität mit temperaturempfindlichen Substraten. OPV Gerätestromumwandlungseffizienzen, η, haben sich in den vergangenen Jahren sprang, mit Einzelzellwirkungsgrade bis zu 9,1% ein, so dass sie zu einem immer lebensfähige Energietechnologie.
Trotz der Verbesserungen in η, die dünnen optimale aktive Schichtdicken der Geräte beschränken Lichtabsorption und behindern zuverlässige Fertigung. Zusätzlich wird die spektrale Breite der Lichtabsorption von jedem Polymer wird begrenzt im Vergleich zu anorganischen Materialien. Pairing Polymere unterschiedlicher spektraler Empfindlichkeit umgeht diese Schwierigkeiten, so dass Tandem-Architekturen 2 eine notwendige Innovation.
Serie Tandemvorrichtungen sind die häufigste Tandemarchitektur. In dieser Konstruktion kann eine Elektronentransport Material, eine optionale Metallic Rekombination Schicht und eine Lochtransportschicht verbinden zwei unabhängige photoaktiven Schichten genannt Unterzellen. Verknüpfen Unterzellen in einer Reihenkonfiguration erhöht die Leerlaufspannung des Kombinationsgerätes. Einige Gruppen haben Erfolg mit entartet dotierten Transportschichten 3 hatte – 5, aber mehr Gruppen Teilchen aus Gold oder Silber verwendet, um die Rekombination von Löchern und Elektronen in der Zwischenschicht 6,7 unterstützen.
Im Gegensatz dazu parallel Tandems erfordern ein hohes Leitfähigkeitselektrode, entweder Anode oder Kathode, die Verbindung der beiden aktiven Schichten. Die Zwischenschicht muss sehr transparent sein, was Serie Tandem Zwischenschichten metallische Partikel enthalten, begrenzt, und mehr noch für die parallelen Tandemzwischenschichten aus dünnen, kontinuierlichen Metallelektroden zusammensetzt. Carbon Nanotubes (CNT) Blätter zeigen höhere Transparenz als Metallschichten. Also der NanoTech Institute in Zusammenarbeit mit Shimane University, hat introduced das Konzept der Verwendung als Zwischenschicht-Elektrode in monolithischer, parallel Tandemvorrichtungen 8.
Frühere Bemühungen vorge monolithischen, parallel, Tandem OPV Geräte mit CNT Blätter, die als Zwischenschicht Anoden 8,9. Diese Verfahren erfordern besondere Sorgfalt, um ein Kurzschließen einer oder beiden Zellen oder schädlichen vorhergehenden Schichten zu vermeiden, wenn Abscheiden späteren Schichten. Die in diesem Papier beschriebene neue Verfahren erleichtert die Herstellung, indem die CNT-Elektrode auf der Oberseite des polymeren aktiven Schichten aus zwei Einzelzellen, und Laminieren der zwei Geräte miteinander, wie in Figur 1 gezeigt. Dieses Verfahren ist wie die Vorrichtung bemerkenswert, eine Luft -stable CNT Kathode, kann vollständig in den Umgebungsbedingungen Verwendung nur trocken und Lösungsverarbeitung hergestellt werden.
CNT Blätter sind nicht eigen gute Kathoden, wie sie erforderlich n-Dotierung, um die Arbeitsfunktion, um Elektronen aus der photoaktiven Bereich zu sammeln verringerneiner Solarzelle 10. Elektrischer Doppelschichtlade in einem Elektrolyten, wie beispielsweise einer ionischen Flüssigkeit ist, kann verwendet werden, um Verschiebung der Arbeitsfunktion der CNT-Elektroden 11 – 14.
Wie in einem vorhergehenden Papier 15 beschrieben und in Figur 2, wenn die Gatespannung (V Gate) ist erhöht dargestellt, wird die Arbeitsfunktion der CNT gemeinsamen Elektrode verringert, wodurch Elektroden Asymmetrie. Dies verhindert, dass Loch Sammlung aus der OPV die Spender zugunsten der Sammel Elektronen aus der OPV der Akzeptor und die Geräte einschalten, Wechsel von ineffizienten Fotowiderstand in Photodiode 15 Verhalten. Es sollte auch darauf hingewiesen, dass die Energie verwendet wird, um das Gerät und die Macht, Gate-Leckströme verloren wegen Ladung trivial im Vergleich zu der von der Solarzelle 15 erzeugten Strom werden. Ionic Gating von CNT-Elektroden hat eine große Wirkung auf die Austrittsarbeit aufgrund der geringen Dichte der Zustände und die hoheOberfläche zu Volumen-Verhältnis im CNT-Elektroden. Es wurden ähnliche Verfahren verwendet, um eine Schottky-Barriere an der Grenzfläche CNT mit n-Si 16 zu verbessern.
Protocol
Representative Results
Discussion
Die Ergebnisse unterstreichen einige Überlegungen bei der Gestaltung parallel Tandemsolarzellen. Insbesondere, wenn eine der Unterzellen schlecht funktioniert, tandem Leistung negativ beeinflusst. Die Ergebnisse zeigen, dass es zwei Haupteffekte. Wenn ein Unterzelle kurzgeschlossen ist, zB zeigt ohmsches Verhalten, das FF-T wird nicht höher als die FF des schlechten Unterzelle. J T SC und V T OC wird in ähnlicher Weise betroffen sein. Dies ist der Fall, …
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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