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Engineering

Control de la morfología de las células solares a granel-heterounión orgánica-inorgánica completamente para imprimir Sobre la base de un Ti-alcóxido y semiconductores de polímero

Published: January 10, 2017 doi: 10.3791/54923

Summary

Un método para células completamente imprimibles, libre de fullereno, altamente aire-estable, a granel heterounión solares basadas en alcóxidos de Ti como el aceptor de electrones y la fabricación de polímero donador de electrones se describe aquí. Por otra parte, se informa de un procedimiento para controlar la morfología de la capa fotoactiva a través del volumen molecular de las unidades de Ti-alcóxido.

Introduction

Dispositivos fotovoltaicos orgánicos se consideran fuentes de energía renovables prometedores debido a su bajo coste de fabricación y el peso ligero 1-7. Debido a estas ventajas, un gran número de científicos ha estado inmerso en esta área prometedora. En la última década, sensibilizada por colorante, de película delgada orgánica, y las células solares sensibilizadas por perovskita han logrado avances significativos en la eficiencia de conversión de energía en esta zona 8.

En concreto, las células solares de película delgada orgánica y la tecnología de células solares de película delgada orgánica BHJ son soluciones eficientes y rentables para la utilización de la energía solar. Además, la eficiencia de conversión de la energía ha llegado a más de 10% con el uso de polímeros de baja de intervalo de banda como los derivados de los donantes de electrones y de fullereno como el aceptor de electrones (fenil-C 61 butírico-ácido-Metil Ester: [60] o PCBM fenil-C 71 butírico-ácido-metil Ester: [70] PCBM) 9-11. Por otra parte, algunos investigadores have ya se ha informado de la importancia de la estructura BHJ en la capa fotoactiva, que se construye con polímeros de baja band-gap y derivados de fullereno para obtener una alta eficiencia global. Sin embargo, los derivados de fullerenos son sensibles al aire. Por lo tanto, se requiere un material aceptor de electrones estable al aire como una alternativa. Algunos informes sugirieron previamente los nuevos tipos de células fotovoltaicas orgánicas que utilizan polímeros semiconductores de tipo n u óxidos metálicos como aceptores de electrones. Estos informes apoyan el desarrollo de las células,, orgánicos libres de fullereno con aire estable solares de película delgada 12-15.

Sin embargo, en contraste con los sistemas de fullereno o sistemas de polímero semiconductor de tipo n, la obtención de un rendimiento satisfactorio de la estructura BHJ en la capa fotoactiva, que tiene separación de carga y las capacidades de transferencia de carga, es difícil en los sistemas de óxido de metal 16-17. Además, los derivados de fullereno y polímeros semiconductores tipo n tienen alta solubilidaden muchos disolventes. Por lo tanto, es fácil de controlar la morfología de la capa fotoactiva mediante la selección de una solución de tinta como el disolvente, que es el precursor de la capa fotoactiva 18-20. Por el contrario, en el caso de los sistemas de alcóxido de metal utilizados en combinación con un polímero donador de electrones, ambos semiconductores son insolubles en casi todos los disolventes. Esto se debe a alcóxidos de metales no tienen una alta solubilidad en el disolvente. Por lo tanto, la selectividad de disolventes para el control de la morfología es extremadamente bajo.

En este artículo, se presenta un método para controlar la morfología de la capa fotoactiva mediante el uso de voluminosidad molecular para fabricar células solares imprimibles y altamente BHJ aire-estable. Se describe la importancia del control de la morfología para el progreso de las células solares BHJ libre de fullereno.

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Protocol

1. Preparación de indio-estaño (ITO) de vidrio para la fabricación de la célula solar

  1. Cortar el sustrato ITO / vidrio.
    1. El uso de un cortador de vidrio, cortar el sustrato ITO / vidrio (10 cm x 10 cm) en trozos de aproximadamente 2 cm x 2 cm.
  2. Químicamente grabar la capa conductora ITO.
    1. El uso de un multímetro digital, compruebe que la parte superior de la pieza ITO / vidrio tiene un lado conductor.
    2. Coloque cinta adhesiva en ambos lados de la pieza de ITO / vidrio, dejando una zona central de 2 mm x 2 cm en el medio. Con cinta de enmascarar, proteger al resto de la capa conductora de ITO del grabado.
    3. Verter unas gotas de HCl (1 M) sobre la capa conductora ITO para eliminar la capa conductora ITO de la superficie de la pieza de ITO / vidrio. Después de aproximadamente 3 minutos, limpie el HCl usando un hisopo de algodón, y luego retire la cinta de enmascarar.
  3. Tratar previamente la pieza ITO / vidrio.
    1. Coloque las piezas de vidrio ITO / en unavitrina y llenar el caso del agua.
    2. Coloque la caja de cristal en un baño de agua que es dos tercios lleno de agua y adjuntar un limpiador ultrasónico. A continuación, encienda el baño de ultrasonido durante aproximadamente 15 minutos para eliminar los pocos restos de reactivo de ataque químico que queda en la pieza ITO / vidrio. Lavar estas piezas en un baño de ultrasonidos con agua, acetona y alcohol isopropílico, respectivamente, para 15 min cada uno, y luego secarlas en una corriente de aire seco. Realizar ultrasonidos a una frecuencia de oscilación de 42 kHz.
    3. Colocar las piezas ITO / de vidrio dentro de un ultravioleta-ozono (UV-O 3) limpiador y ejecutar la máquina para 30 min.

2. Preparación de la solución de precursor para la capa fotoactiva

  1. Disolver 0,5 mg de poli [2,7- (9,9-dioctylfluorene) -alt-4,7-bis (tiofen-2-il) benzo-2,1,3-tiadiazol] (PFO-DBT) como un electrón donante y 1,0 mg de Ti-alcóxido en 1 ml de clorobenceno. Seleccione los siguientes alcóxidos de Ti como electronesaceptores: Ti (IV) isopropóxido, etóxido, butóxido de potasio, y el polímero de butóxido de potasio. A continuación, se disuelven 0,5 mg de PFO-DBT y 1,0 mg de [60] PCBM en 1 ml de clorobenceno como referencia.
    NOTA: En este caso, los niveles HOMO-LUMO son las siguientes 21. PFO-DBT: 5,4 a 3,53 eV, Ti (IV) isopropóxido: 7,49 a 3,86 eV, etóxido: 7,55 a 3,90 eV, butóxido: 7,53 a 3,76 eV, y el polímero de butóxido: 7,57 a 3,83 eV.
  2. En un agitador magnético caliente, calentar la solución de precursor a 70 ° C mientras se agita con una barra de agitación a una velocidad de rotación de 700 rpm. Hacer esto para 20 min en ausencia de la luz, hasta que la solución es visualmente clara para el ojo desnudo. Enfriar la solución a temperatura ambiente, de nuevo en ausencia de luz, para uso futuro.

3. La fabricación de la capa fotoactiva

  1. Depositar la película de recubrimiento por rotación.
    1. Se calienta la solución de precursor de la capa fotoactiva y la pieza de ITO / vidrio a 70 ° C. Durante 10 minutos, calentar la solución de precursor en una agitadora magnética calienterer calentó a 70 ° C y el uso de una barra de agitación a una velocidad de rotación de 700 rpm. Calentar la pieza ITO / vidrio en un plato caliente de cerámica se calienta a 70 ° C durante 5 min.
    2. Coloque la pieza de ITO / de vidrio en el centro del escenario vacío de la recubridora de rotación, calentarlo con una pistola de aire caliente a aproximadamente 70 ° C, y encienda el vacío.
      NOTA: El vacío se crea mediante el uso de una bomba de vacío con una velocidad de bombeo de 30 l / min. La presión final de la bomba de vacío es 26,6 × 10 3 Pa.
    3. Verter unas gotas de la solución de precursor de la capa fotoactiva en la pieza de ITO / vidrio y empezar la recubridora de rotación en 2,000-6,000 rpm durante 60 s en el aire.
      Nota: El volumen de la solución de precursor es de 0,5 ml, medidos con un spuit 1-mL.
    4. Se seca la superficie de la capa fotoactiva durante 10 min a temperatura ambiente en una atmósfera de aire en ausencia de luz para obtener una película de 50 nm de espesor como la capa fotoactiva.
  2. Retire la película adicional.
    1. Limpie el phot adicionalcapa oactive de la superficie de la pieza de ITO / de vidrio con un hisopo de algodón humedecido con clorobenceno.
    2. Se seca la capa fotoactiva de nuevo por 10 min a temperatura ambiente en una atmósfera de aire en ausencia de luz.
      NOTA: La temperatura de la habitación experimento se mantuvo a 25 ° C.

4. La fabricación del electrodo

  1. Imprimir el electrodo orgánica.
    1. El uso de una impresora de pantalla, imprimir un electrodo orgánica mediante la colocación de poli (3,4-etilendioxitiofeno) -poli (estirenosulfonato) (PEDOT-PSS) sobre la capa fotoactiva 22. La máscara de metal es 50 micras de espesor, y el área de impresión es 5 mm x 20 mm.
    2. Secar el electrodo orgánica durante 30 min a temperatura ambiente en una atmósfera de aire en ausencia de luz.

5. La laminación de las células solares

  1. Cortar el sustrato de vidrio en trozos con unas dimensiones de 1,5 cm x 2,5 cm utilizando un cortador de diamante. Untadouna resina epoxi sobre el sustrato de vidrio usando una espátula de plástico. Coloque el sustrato de vidrio con resina epoxi sobre la capa fotoactiva para protegerlo.

6. Preparación para medir el rendimiento de las células solares

  1. Limpiar los electrodos limpiándolos con un hisopo de algodón humedecido con acetona. Adjuntar un electrodo de soporte sobre el ITO mediante un sistema de soldadura por ultrasonidos. Operar el soldador a una frecuencia de 42 kHz y a 230 ° C.

7. Medición del rendimiento de las células solares

  1. Medir las características de corriente-tensión (JV) de las células solares mediante el uso de un sistema de monitor integrado de corriente continua de voltaje de corriente fuente /, con el simulador solar calibrada para proporcionar un AM1.5G simulada de 100 mW / cm 2 por el fotodiodo de silicio.
    NOTA: Información más detallada acerca de la medición de las curvas de riesgo compartido se puede encontrar en otros lugares 23, 24.

8. Analysis de la estructura de separación de fases

  1. Preparar películas individuales de capas fotoactivas construidos con Ti-alcóxido y PFO-DBT, usando el mismo método para la fabricación de células solares, sin el electrodo orgánico y sin el proceso de laminación.
  2. Utilice un microscopio óptico o un microscopio electrónico de barrido (SEM) para observar la morfología de la capa fotoactiva con gran ampliación (50.000 ×) con el fin de analizar la estructura de separación de fases.
    NOTA: Información más detallada sobre el funcionamiento SEM se puede encontrar en otros lugares 25, 26.

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Representative Results

Hemos presentado un protocolo para la fabricación de células completamente imprimibles orgánicos-inorgánicos BHJ solares, así como un método para controlar la estructura de separación de fases. El rendimiento de células solares ha sido ampliamente investigado 27-31 cuando (IV) isopropóxido y etóxido se utilizaron Ti como aceptor de electrones materiales (Figura 1). Estas células solares exhiben una densidad de corriente de cortocircuito (Jsc) que es aproximadamente ocho veces mayor que la de los dispositivos que utilizan el "Ti (IV) polímero de butóxido de" (Tabla 1). Las morfologías resultantes en la capa fotoactiva eran adecuadas para la foto-generación y la existencia de portadores libres y su transporte. En otras palabras, es posible controlar la estructura de gestión portador seleccionando la voluminosidad del Ti-alcóxido. Algunos trabajos anteriores han demostrado que la estructura de separación de fases para la gestión de portadores en la capa fotoactiva de un BHJcélula solar utilizando derivados de fullereno es un factor importante 32-34. Esto también es importante para el sistema orgánico-inorgánico investigado en este trabajo.

Podemos explicar la relación entre Jsc por la gestión de soporte y la estructura de separación de fases utilizando los tres modelos individuales que se resumen en la Tabla 2. Además, se determinó la estructura de separación de fases a través de SEM, y las imágenes de SEM se compararon con los modelos de separación de fases (Figura 2). Cuando se utilizó el polímero butóxido de Ti (IV), el campo de carga generación era insuficiente. En consecuencia, esto resulta en un valor más bajo Jsc. Es decir, la auto-organización del polímero butóxido de Ti (IV) es promovida principalmente por el embalaje de la molécula. Cuando "Ti (IV) butóxido" se utiliza como un semiconductor de tipo n, se aislaron los dominios de fase, que es inadecuada para la transferencia de carga de los portadores libres para obtener una hiJsc valor gh. La estructura química de Ti butóxido de potasio (IV) es más voluminoso que el de Ti isopropóxido y etóxido (IV). Por lo tanto, la voluminosidad química de Ti (IV) butóxido excesivamente obstaculizado la auto-organización del polímero semiconductor de tipo p. Por otro lado, cuando (IV) se utilizó isopropóxido de Ti o etóxido, estas morfologías proporcionan un buen equilibrio entre el tamaño del dominio y la continuidad de fase desde el punto de vista de la generación de carga, la existencia de portadores libres, y su transporte.

Figura 1
Figura 1: Características de la JV de células solares para diferentes voluminosidad química de Ti alcóxido. Esta cifra es una modificación de características de referencia 21. JV se cambian drásticamente mediante la selección de la molécula de alcóxido de Ti. Por favor, haga clic aquí para vIEW una versión más grande de esta figura.

Figura 2
Figura 2: la digitalización de imágenes de microscopio electrónico de barrido (SEM) para el análisis de las estructuras de separación de fases. Esta cifra se modificó a partir de Referencia 21. La morfología de la capa fotoactiva se obtiene con gran ampliación (50.000 ×). Las estructuras de separación de fases de Ti (IV) isopropóxido o etóxido eran aceptables y tenía una continuidad adecuada. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

De titanio (IV) isopropóxido De titanio (IV) etóxido De titanio (IV) butóxido De titanio (IV) polímero de butóxido
JSC [mA / cm 2] 191 182 121 25
Voc [V] 0.53 0.61 0.61 0.16
FF 0.31 0.33 0.23 0.18
PCE [%] 0,031 0,036 0,017 0.0007

Tabla 1: el rendimiento de las células solares de diferente volumen química de Ti-alcóxidos. Esta tabla es una modificación de características de referencia 21. El JV de las células solares BHJ para cada Ti-alcóxido se muestra en la Figura 1, y los parámetros de rendimiento correspondientes se enumeran en esta tabla.

Tabla 2
Tabla 2: La separación de fases representantemodelos para el análisis de portadores libres existentes. Esta tabla se modificó a partir de Referencia 21. Idealmente, morfologías, tales como la de modelo B, son necesarios desde el punto de vista de la existencia de muchos portadores libres.

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Discussion

A fin de utilizar la voluminosidad de la molécula en este método, es importante conocer las condiciones para la formación de película mediante revestimiento por rotación. En primer lugar, los de tipo p y tipo n semiconductores deben ser capaces de disolverse en los disolventes. Cuando algún material permanece, se convertirá en el gran núcleo de los dominios en la capa fotoactiva. Se recomienda el uso de un filtro comercial adecuada para disolventes individuales para eliminar el material restante. A continuación, la solución de precursor en el que las moléculas se disuelven debe ser uniforme y homogéneamente impreso como la capa fotoactiva en el sustrato ITO / vidrio en aproximadamente 60 s. Este proceso se ejecuta con los tres pasos siguientes. En primer lugar, la solución de precursor y el sustrato ITO / vidrio se mantienen a una temperatura de aproximadamente 70 ° C. En segundo lugar, el sustrato se establece rápidamente en la etapa de la recubridora de rotación. Por último, unas gotas de la solución de precursor se vierten y se extienden sobre la superficie del sustrato, tan prontocomo sea posible, y la recubridora de rotación se inicia inmediatamente. El sustrato calentado impide una rápida disminución de la temperatura de la solución de precursor sobre el sustrato ITO / vidrio. Este método controla los productos de partida de la solución de precursor por un cambio térmico rápido. El efecto de la solución de precursor se calienta promueve suave difusión en el sustrato, debido a la disminución de la viscosidad, y facilita la formación de una película fina uniformemente plana. Además, el proceso de revestimiento por rotación se lleva a cabo no cubierto por la tapa. Esto promueve la evaporación de los disolventes desde el sustrato durante el proceso de 60-s ~.

Si se producen problemas cuando se utiliza el método antes mencionado, debido a las condiciones experimentales y equipo, se recomiendan los siguientes métodos. Si el sustrato calentado no puede moverse en el escenario de la recubridora de rotación, el sustrato se puede calentar con una pistola de calor inmediatamente antes de su uso. Por otra parte, si se necesita más tiempo para dejar la solución precursora, calefacción tél precursor solución a se recomienda aproximadamente 75-80 ° C.

Además, la estructura de separación de fases y el tamaño de dominio de fase serán diferentes dependiendo del donador de electrones individual seleccionado. Cuando se selecciona un donante de electrones, excepto PFO-DBT, un cambio en la relación de p / n y una mezcla de dos Ti-alcóxidos con diferente voluminosidad como aceptor de electrones son métodos útiles para la obtención de una estructura de separación de fases adecuado. Nuestro método para el control de la estructura de separación de fases es diferente del método de disolvente convencional 18 a 20, 33. Por lo tanto, nuestro método puede ser modificado para donantes y aceptores de electrones que tienen solubilidades en sólo unos pocos disolventes limitados.

Por último, hemos demostrado un método para la fabricación de células completamente imprimibles, libre de fullereno, a granel heterounión solares basadas en el uso de alcóxidos de Ti como el aceptor de electrones y un polímero semiconductor como el donador de electrones. Además, tsu protocolo demostró que es eficaz para controlar la estructura de separación de fases mediante el uso de la voluminosidad molecular, sin necesidad de utilizar el método de disolvente convencional. Este método puede ser aplicable a los sistemas que utilizan varios de tipo n y de tipo p semiconductores, que sólo se disuelven en unos disolventes. Se advierte también de las limitaciones de este método. Creemos que este método sólo es útil en un sistema de dos ingredientes. Esto se debe a que este método puede controlar la separación de fases al obstaculizar la auto-organización que utilice el volumen de una molécula de dos tipos de moléculas. Por lo tanto, no podemos decir que un sistema de tres ingredientes será aplicable. Vamos a investigar la aplicabilidad de estos sistemas en el futuro. Esperamos que, además de por completo las células solares orgánicas, células solares híbridas también llegado a ser popular en un futuro próximo.

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Disclosures

Los autores declaran que no tienen intereses financieros en competencia.

Acknowledgments

Este trabajo fue parcialmente apoyado por la JSPS KAKENHI la subvención Número 25871029, la Fundación Nippon Sheet Glass para la Ciencia de los Materiales e Ingeniería, y el Centro de Promoción Industrial de Tochigi. El Instituto Nacional de Tecnología, Oyama College, también ayudó con los gastos de publicación de este artículo.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Ti(IV) isopropoxide, 97% Sigma Aldrich 205273
Ti(IV) ethoxide Sigma Aldrich 244759 Technical grade
Ti(IV) butoxide, 97% Sigma Aldrich 244112 Reagent grade
Ti(IV) butoxide polymer Sigma Aldrich 510718
Poly[2,7-(9,9-dioctylfluorene)-alt-4,7-bis(thiophen-2-yl)benzo-2,1,3-thiadiazole] (PFO-DBT) Sigma Aldrich 754013
[6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester ([60]PCBM) 99.5% Sigma Aldrich 684449 Research grade
poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-poly(styrenesulfonate) (PEDOT-PSS) Heraeus Clevios S V3
1 N Hydrochloric acid Wako 083-01095
Chlorobenzene 99.0% Wako 032-07986
Acetone 99.5% Wako 016-00346
Indium-tin oxide (ITO)-coated glass substrate Geomatec 0002 100×100×1.1t (mm)
Glass substrate Matsunami Glass S7213 76×26×1.2t (mm)
Cotton tail  As one 1-8584-16
Epoxy resin Nichiban AR-R30
Plastic spatula As one 2-3956-02
Ultrasonic cleaner As one AS482
Magnetic hot  stirrer As one RHS-1DN
Ceramic hotplate As one CHP-17DN
Spin coater Kyowariken K-359 S1
Vacuum pump ULVAC DA-30S
UV-O3 cleaner Filgen UV253E
Screen printer Mitani Electronics MEC-2400
Ultrasonic Soldering system Kuroda Techno SUNBONDER USM-5
Direct-current voltage and current source/monitor integrated system San-Ei Electric XES-40S1
Scanning electron microscope JEOL Ltd. JSM-7800

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References

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Kato, T., Oinuma, C., Otsuka, M., Hagiwara, N. Morphology Control for Fully Printable Organic–Inorganic Bulk-heterojunction Solar Cells Based on a Ti-alkoxide and Semiconducting Polymer. J. Vis. Exp. (119), e54923, doi:10.3791/54923 (2017).

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