Окружающая Метод производства ионно воротами углеродных нанотрубок общим катодом в тандеме органических солнечных элементов
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
Полимерные полупроводники являются ведущие органическое фотоэлектрические (ОПВ) материалы в связи с высокой поглощающей, хороших транспортных свойств, гибкости и совместимости с температурно-чувствительных субстратов. Эффективность преобразования энергии ОПВ устройств, η, значительно подскочили в последние годы, с эффективностью отдельных клеток выше, чем 9,1% 1, что делает их более жизнеспособным энергетических технологий.
Несмотря на улучшение η, тонкие оптимальные активный слой толщины устройств ограничить поглощение света и препятствуют надежной изготовление. Кроме того, ширина спектра поглощения света каждого полимера ограничены по сравнению с неорганическими материалами. Сопряжение полимеры различной спектральной чувствительностью обходит эти трудности, что делает тандем архитектур 2 необходимо инновационных.
Серия тандемные устройства являются наиболее распространенными архитектура тандем. В этой конструкции, электронный транспорт материалы, справкиаль, необязательно металлический слой рекомбинации, и отверстие транспортный уровень подключить два независимых фотоактивные слоев, называемых суб-клетки. Связывание суб-клеток в последовательной конфигурации увеличивает напряжение разомкнутой цепи комбинированного устройства. Некоторые группы имели успех с дегенеративно легированных транспортных слоев 3 – 5, но больше групп использовали частицы золота или серебра, чтобы помочь рекомбинации электронов и дырок в прослойке 6,7.
В отличие от этого, параллельные тандемы требуют высокой проводимости электрода, либо анод или катод, соединяющую два активных слоев. Промежуточный слой должен быть очень прозрачным, что ограничивает тандем прослойки серии, содержащие металлические частицы, а тем более для параллельных прослоек тандем, состоящий из тонких непрерывных металлических электродов. Углеродные нанотрубки (УНТ) листы показывают более высокую прозрачность, чем металлических слоев. Так в Нанотех института в сотрудничестве с Симанэ университета, имеет Introduced концепцию использования в качестве межслойной электрода в монолитных, параллельных тандем устройств 8.
Предыдущие попытки признакам монолитные, параллельные, тандем ОПВ устройств с УНТ листов, функционирующих как прослойки анодов 8,9. Эти методы требуют особого ухода, чтобы избежать короткого замыкания одного или обоих клеток или повреждения предыдущих слоев при сдаче поздние слои. Новый способ, описанный в данной работе, облегчает изготовление, поместив электрод CNT сверху полимерных активных слоев двух отдельных клеток, а затем ламинированием двух отдельных устройств вместе, как показано на рисунке 1. Этот метод Примечательно, что и устройство, в том числе воздуха -stable CNT катод, могут быть изготовлены полностью в условиях окружающей среды с использованием только сухую и решение обработку.
CNT листы не являются принципиально хорошие катоды, поскольку они требуют н-типа легирующей, чтобы уменьшить работу выхода, чтобы собирать электроны из светочувствительного областисолнечного элемента 10. Электрический двухслойный зарядки в электролите, такие как ионной жидкости, может быть использована, чтобы сместить работа выхода CNT электродов 11 – 14.
Как описано в предыдущей публикации 15 и показано на рисунке 2, когда напряжение на затворе (V Gate) является возрастает, работа выхода CNT общего электрода уменьшается, создавая асимметрию электрода. Это предотвращает скопление отверстие от донора ОПВ в пользу сбора электронов от акцептора ОПВ, а устройства включается, переходя от неэффективного фоторезистора в фотодиод 15 поведения. Следует также отметить, что энергия используется для зарядки устройства и потери мощности из-за токов утечки затвор тривиальным по сравнению с мощностью, генерируемой солнечной батареи 15. Ионные стробирования УНТ электродов имеет большое влияние на функцию работы из-за низкой плотности состояний и высокаяПлощадь поверхности к объему в CNT электродов. Аналогичные методы были использованы, чтобы добавлять барьер Шоттки на границе раздела НКТ с н-Si 16.
Protocol
Representative Results
Discussion
Результаты свидетельствуют несколько соображений при проектировании параллельно тандемных солнечных батарей. Примечательно, если один из суб-клеток работает плохо, производительность тандема в негативное влияние. Результаты показывают, что существует два основных эффектов. Если од…
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
- He, Z., Zhong, C., Su, S., Xu, M., Wu, H., Cao, Y. Enhanced power-conversion efficiency in polymer solar cells using an inverted device structure. Nature Photonics. 6, 591-595 (2012).
- Yuan, Y., Huang, J., Li, G. Intermediate layers in tandem organic solar cells. Green. 1 (1), 65-80 (2011).
- Kim, J. Y., et al. Efficient tandem polymer solar cells fabricated by all-solution processing. Science. 317 (5835), 222-225 (2007).
- Yu, B., Zhu, F., Wang, H., Li, G., Yan, D. All-organic tunnel junctions as connecting units in tandem organic solar cell. Journal of Applied Physics. 104 (11), (2008).
- Schueppel, R., et al. Controlled current matching in small molecule organic tandem solar cells using doped spacer layers. Journal of Applied Physics. 107 (4), (2010).
- Hiramoto, M., Suezaki, M., Yokoyama, M. Effect of thin gold interstitial-layer on the photovoltaic properties of tandem organic solar cell. Chemistry Letters. 19 (3), 327-330 (1990).
- Xue, J., Uchida, S., Rand, B. P., Forrest, S. R. Asymmetric tandem organic photovoltaic cells with hybrid planar-mixed molecular heterojunctions. Applied Physics Letters. 85 (23), 5757 (2004).
- Tanaka, S., et al. Monolithic parallel tandem organic photovoltaic cell with transparent carbon nanotube interlayer. Applied Physics Letters. 94 (11), (2009).
- Mielczarek, K., Cook, A., Kuznetsov, A., Zakhidov, A. OPV Tandems with CNTS: Why Are Parallel Connections Better Than Series Connections. Low-Dimensional Functional Materials. , 179-204 (2013).
- Kim, J. Y., et al. Efficient tandem polymer solar cells fabricated by all-solution processing. Science. 317 (5835), 222-225 (2007).
- Kuznetsov, A. A. . Physics of electron field emission by self-assembled carbon nanotube arrays. , (2008).
- Kuznetzov, A. A., Lee, S. B., Zhang, M., Baughman, R. H., Zakhidov, A. A. Electron field emission from transparent multiwalled carbon nanotube sheets for inverted field emission displays. Carbon. 48 (1), 41-46 (2010).
- Zakhidov, A. A., Suh, D. -. S., et al. Electrochemically Tuned Properties for Electrolyte-Free Carbon Nanotube Sheets. Advanced Functional Materials. 19 (14), 2266-2272 (2009).
- Cook, A., Yuen, J. D., Zakhidov, A. Ion-Reconfigurable photovoltaic cells, hybrid tandems and photodetectors with CNT ionic gate. US Patent Application. 61, (2012).
- Cook, A. B., Yuen, J. D., Zakhidov, A. Electrochemically gated organic photovoltaic with tunable carbon nanotube cathodes. Applied Physics Letters. 103 (16), (2013).
- Wadhwa, P., Liu, B., McCarthy, M. A., Wu, Z., Rinzler, A. G. Electronic Junction Control in a Nanotube-Semiconductor Schottky Junction Solar Cell. Nanoletters. 10 (12), 5001-5005 (2010).
