Summary
Verfahren zur voll bedruckbar, fullerenfreie, hochluftstabile, bulk-Heterojunction-Solarzellen auf Basis von Ti-Alkoxide als Elektronenakzeptor und dem elektronenschiebenden Polymerherstellung wird hier beschrieben. Darüber hinaus wird ein Verfahren zur Bestimmung der Morphologie der photoaktiven Schicht durch die molekulare Sperrigkeit der Ti-Alkoxid-Einheiten steuert berichtet.
Introduction
Organische Photovoltaik - Anlagen sind vielversprechende erneuerbare Energiequellen angesehen aufgrund ihrer geringen Herstellungskosten und ein geringes Gewicht 1-7. Aufgrund dieser Vorteile wurde eine große Zahl von Wissenschaftlern wurde in diesem vielversprechenden Bereich eingetaucht. In den letzten zehn Jahren, farbstoffsensibilisierte, organischen Dünnfilm und Perowskit-Solarzellen haben erhebliche Fortschritte bei der Energieumwandlungseffizienz in diesem Bereich 8 erreicht.
Insbesondere organische Dünnfilm-Solarzellen und BHJ organische Dünnschicht-Solarzellentechnologie sind effiziente und kostengünstige Lösungen für die Nutzung von Solarenergie. Weiterhin hat die Energieumwandlungswirkungsgrad von über 10% bei der Verwendung von Niedrigbandabstand - Polymere als Elektronendonator und Fullerenderivate als Elektronenakzeptor (Phenyl-C 61 buttersäure-Säure-methylester erreicht: [60] PCBM oder phenyl-C 71 buttersäure-Säure-Methylester: [70] PCBM) 11.09. Darüber hinaus h einige Forscherave berichteten bereits die Bedeutung der BHJ-Struktur in der photoaktiven Schicht, die mit Low-Band-Gap-Polymere und Fullerenderivate zu erhalten, einen hohen Gesamtwirkungsgrad aufgebaut ist. Allerdings Fullerenderivate sind luftempfindlich. Daher ist es eine luftstabile elektronenaufnehmenden Materials als Alternative benötigt. Einige Berichte zuvor vorgeschlagen, neue Arten von organischen Photovoltaik-Zellen, die n-Typ halbleitenden Polymeren oder Metalloxide als Elektronenakzeptoren verwendet. Diese Berichte unterstützt die Entwicklung von luftstabilen, Fulleren freien, organischen Dünnfilm - Solarzellen 12-15.
Im Gegensatz jedoch Systeme Fulleren oder n-Typ - Halbleiterpolymersysteme, eine zufriedenstellende Leistung der BHJ - Struktur in der photoaktiven Schicht zu erhalten, die Ladungstrennung und Ladungstransfer Fähigkeiten hat, ist 16-17 in Metalloxid-Systeme schwierig. Weiterhin Fullerenderivate und n-halbleitenden Polymere haben eine hohe Löslichkeitin vielen Lösungsmitteln. Daher ist es einfach , die Morphologie der photoaktiven Schicht zu steuern , indem eine Tintenlösung als Lösungsmittel auszuwählen, das der Vorläufer des photoaktiven Schicht 18-20. Im Gegensatz dazu sind im Fall von Metallalkoxid Systeme in Kombination mit einer elektronenschiebenden Polymer, wobei beide Halbleiter in fast allen Lösungsmitteln unlöslich. Dies liegt daran, Metallalkoxide keine hohe Löslichkeit in dem Lösungsmittel haben. Daher ist die Selektivität der Lösungsmittel für Morphologiekontrolle extrem niedrig.
In diesem Artikel berichten wir ein Verfahren zur Bestimmung der Morphologie der photoaktiven Schicht Steuerung durch molekulare Sperrigkeit Verwendung bedruckbar und sehr luftstabile BHJ-Solarzellen herzustellen. Wir beschreiben die Bedeutung der Morphologie Kontrolle für den Fortschritt der Fulleren freien BHJ-Solarzellen.
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Protocol
1. Herstellung von Indium-Zinn-Oxid (ITO) Glas für die Solarzellenfertigung
- Schneiden Sie das ITO / Glassubstrat.
- Mit einem Glasschneider, schneiden Sie die ITO / Glassubstrat (10 cm × 10 cm) in Stücke mit Abmessungen von ungefähr 2 cm × 2 cm.
- Chemisch ätzen die ITO leitenden Schicht.
- Mit einem digitalen Multimeter, überprüfen Sie, dass der obere Teil des ITO / Glasstück eine leitfähige Seite hat.
- Platzieren Klebeband auf beiden Seiten der ITO / Glasstück, einen zentralen Bereich von 2 mm × 2 cm in der Mitte bleibt. Mit Klebeband, schützen den Rest der ITO leitenden Schicht aus dem Ätzen.
- Gießen ein paar Tropfen HCl (1 M) auf die ITO-leitende Schicht, die ITO leitenden Schicht von der Oberfläche des ITO / Glasstück zu entfernen. Nach ca. 3 min, wischen Sie das HCl mit einem Wattestäbchen, und dann das Abdeckband entfernen.
- Vorbehandeln die ITO / Glasstück.
- Legen Sie die ITO / Glasstücke in einVitrine und den Fall mit Wasser füllen.
- Setzen Sie den Glaskasten in einem Wasserbad, das zwei Drittel mit Wasser gefüllt ist und befestigen einen Ultraschallreiniger. Dann schalten Sie den Ultraschall-Reiniger für ca. 15 min, die wenigen Spuren von chemischen Ätzmittel zu entfernen noch auf der ITO / Glasstück. Waschen, diese Stücke in einem Ultraschallbad mit Wasser, Aceton und Isopropylalkohol, jeweils für 15 min jeweils, und sie dann in einem Strom trockener Luft trocknen. Führen Beschallen bei einer Schwingungsfrequenz von 42 kHz.
- Platzieren Sie die ITO / Glasstücke innerhalb eines Ultraviolett-Ozon (UV-O 3) Reinigungsmittel und die Maschine für 30 min laufen.
2. Herstellung der Vorläuferlösung für die photoaktive Schicht
- Man löst 0,5 mg Poly [2,7- (9,9-dioctylfluoren) -alt-4,7-bis (thiophen-2-yl) benzo-2,1,3-thiadiazol] (PFO-DBT) als Elektronen Donor- und 1,0 mg Ti-Alkoxid in 1 mL Chlorbenzol. Wählen Sie die folgenden Ti-Alkoxide als ElektronenAkzeptoren: Ti (IV) isopropoxid, Ethoxid, Butoxid und butoxid Polymer. Dann löst man 0,5 mg PFO-DBT und 1,0 mg [60] PCBM in 1 mL Chlorbenzol als Referenz.
HINWEIS: Hier werden die HOMO-LUMO - Niveaus sind wie 21 folgt. PFO-DBT: 5,4 bis 3,53 eV, Ti (IV) isopropoxid: 7,49 bis 3,86 eV, Ethoxid: 7,55 bis 3,90 eV, butoxid: 7,53 bis 3,76 eV und butoxid Polymer: 7,57 bis 3,83 eV. - Auf einem magnetischen Rührer hot erhitzen Precursorlösung auf 70 ° C, während es mit einem Rührstab mit einer Rotationsgeschwindigkeit von 700 Upm gerührt wurde. Tun Sie dies für 20 Minuten in Abwesenheit von Licht, bis die Lösung optisch klar mit dem bloßen Auge ist. Die Lösung wird auf Raumtemperatur wieder in Abwesenheit von Licht, für den zukünftigen Gebrauch.
3. Herstellung der photoaktiven Schicht
- Hinterlegung der Film durch Schleuderbeschichtung.
- Erwärmen, um die Vorläuferlösung der photoaktiven Schicht und der ITO / Glasstücks auf 70 ° C. Für 10 Minuten erhitzen Vorläuferlösung auf einem magnetischen heißen stirrer erhitzt auf 70 ° C und einen Rührstab bei einer Drehzahl von 700 Umdrehungen pro Minute verwendet werden. Erhitzen Sie das ITO / Glas-Stück auf einer keramischen Kochplatte erhitzt auf 70 ° C für 5 min.
- Legen Sie die ITO / Glasstück in der Mitte der Vakuumstufe des Spin-Coater, erhitzen Sie es mit einer Heißluftpistole auf etwa 70 ° C, und schalten Sie das Vakuum.
HINWEIS: Das Vakuum unter Verwendung einer Vakuumpumpe mit einem Saugvermögen von 30 l / min erzeugt. Der Enddruck der Vakuumpumpe ist 26,6 × 10 3 Pa. - Geben Sie einige Tropfen der Vorläuferlösung der photoaktiven Schicht auf das ITO / Glasstück und starten Sie den Spin-Coater bei 2000-6000 Umdrehungen pro Minute für 60 s in der Luft.
HINWEIS: Das Volumen der Vorläuferlösung 0,5 ml, gemessen mit einer 1-ml Spuit. - Trocknen Sie die Oberfläche der photoaktiven Schicht für 10 min bei Raumtemperatur in einer Luftatmosphäre in Abwesenheit von Licht mit einer 50 nm dicken Film als photoaktive Schicht zu erhalten.
- Entfernen Sie den zusätzlichen Film.
- Wischen Sie die zusätzliche photoactive Schicht von der Oberfläche der ITO / Glasstück mit einem mit Chlorbenzol benetzt Wattestäbchen.
- Trocknen der photoaktiven Schicht erneut 10 min bei Raumtemperatur in einer Luftatmosphäre in Abwesenheit von Licht.
HINWEIS: Die Temperatur unseres Experiments Raum wird bei 25 ° C gehalten.
4. Herstellung der Elektrode
- Drucken Sie die organische Elektrode.
- Mit einem Siebdrucker, drucken Sie eine organische Elektrode durch Poly platzieren (3,4-ethylendioxythiophen) -Poly (styrolsulfonat) (PEDOT-PSS) auf die photoaktive Schicht 22. Die Metallmaske ist 50 um dick, und der Druckbereich beträgt 5 mm × 20 mm.
- Die organische Elektrode für 30 min bei Raumtemperatur in einer Luftatmosphäre in Abwesenheit von Licht.
5. Lamination für die Solarzellen
- Schneiden Sie das Glassubstrat in Stücke mit einer Größe von 1,5 cm × 2,5 cm mit einem Diamantschneider. Ausbreitungein Epoxidharz auf das Glassubstrat ein Kunststoffspachtel. Legen Sie das Glassubstrat mit Epoxidharz auf der photoaktiven Schicht zu schützen.
6. Vorbereitung zur Messung der Solarzellleistung
- Reinigen Sie die Elektroden, indem sie mit einem Wattestäbchen angefeuchtet mit Aceton abwischen. Bringen Sie eine Trägerelektrode auf die ITO ein Ultraschall-Lötanlage mit. Betreiben Sie den Lötkolben in einem 42-kHz-Frequenz und bei 230 ° C.
7. Die Messung der Solarzellenleistung
- Messung der Strom-Spannungs (JV) Eigenschaften der Solarzellen durch eine Gleichspannungsstromquelle / Monitor integrierten System, mit dem Sonnensimulator ein simuliertes AM1.5G von 100 mW / cm 2 von der Silizium - Photodiode zu liefern kalibriert.
HINWEIS: Nähere Informationen über die Messung der JV - Kurven kann an anderer Stelle 23 gefunden werden, 24.
8. Analysis der Phasentrennungsstruktur
- Bereiten Sie einzelne Filme von photoaktiven Schichten aufgebaut mit Ti-Alkoxid und PFO-DBT, mit derselben Methode für Solarzellenherstellung, ohne die organische Elektrode und ohne Laminierung Prozess.
- Verwenden eines optischen Mikroskops oder eines Rasterelektronenmikroskops (SEM), um die Morphologie der photoaktiven Schicht mit hoher Vergrößerung (50000 ×) zu beobachten, um die Phasentrennungsstruktur zu analysieren.
HINWEIS: Nähere Informationen über SEM Betrieb kann an anderer Stelle 25 gefunden werden, 26.
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Representative Results
Wir haben ein Protokoll vorgestellt vollständig druckbare organisch-anorganischen BHJ-Solarzellen für die Herstellung, sowie ein Verfahren zur Bestimmung der Phasentrennungsstruktur zu steuern. Der Solar-Zellenleistung wurde ausgiebig untersucht 27-31 als Ti (IV) isopropoxid und -ethylat als Elektronen aufnehmende Materialien (Figur 1) verwendet wurden. Diese Solarzellen zeigte eine Kurzschlussstromdichte (Jsc) , die etwa acht mal höher als die von Geräten mit dem "Ti (IV) butoxid Polymer" (Tabelle 1). Die resultierenden Morphologien in der photoaktiven Schicht waren ausreichend für die Photoerzeugung und die Existenz von freien Trägern und deren Transport. Mit anderen Worten ist es möglich, die Trägerführungsstruktur zu steuern, indem die Sperrigkeit des Ti-Alkoxid ausgewählt wird. Einige frühere Arbeiten haben gezeigt, dass die Phasentrennungsstruktur für Trägermanagement in der photoaktiven Schicht einer BHJSolarzellenfullerenderivate mit ein wichtiger Faktor 32-34. Dies ist auch wichtig für die organisch-anorganischen System in dieser Arbeit untersucht.
Wir können die Beziehung zwischen Jsc vom Trägerverwaltung erläutern und die Phasentrennungsstruktur mit den drei einzelnen Modelle in Tabelle 2 zusammengefasst. Außerdem untersuchten wir die Phasentrennstruktur durch SEM und SEM - Bilder wurden verglichen mit den Phasentrennungsmodelle (Abbildung 2). Wenn der Ti (IV) butylat Polymer verwendet wurde, war die Ladungserzeugungs Feld unzureichend. Folglich führt dies zu einem niedrigeren Wert Jsc. Das heißt, die Selbstorganisation der Ti (IV) butylat Polymer hauptsächlich durch das Molekül der Verpackung befördert. Wenn "Ti (IV) butylat" als n-Typ-Halbleiter verwendet wurde, wurden die Phasendomänen isoliert, die für den Ladungstransfer der freien Träger unzureichend ist ein Hallo zu erhaltengh JSC. Die chemische Struktur von Ti (IV) butylat ist voluminöser als die von Ti (IV) isopropoxid und Ethoxid. Daher behindert die chemische Sperrigkeit von Ti (IV) butylat übermßig die Selbstorganisation der p-Typ halbleitendes Polymer. Auf der anderen Seite, wenn Ti (IV) isopropoxid oder -ethylat verwendet wurde, sofern diese Morphologien eine gute Balance zwischen Domänengröße und Phasenkontinuität aus der Sicht der Ladungserzeugung, die Existenz von freien Trägern und deren Transport.
Abbildung 1: JV Eigenschaften von Solarzellen für unterschiedliche chemische Sperrigkeit von Ti - Alkoxid. Diese Zahl wird geändert von Referenz 21. JV Eigenschaften werden durch die Wahl des Ti-Alkoxid-Molekül drastisch verändert. Bitte klicken Sie hier , um die vIEW eine größere Version dieser Figur.
Figur 2: Rasterelektronenmikroskopische (SEM) -Bilder für Strukturen der Phasentrennung analysiert. Diese Zahl wird von Referenz modifiziert 21. Die Morphologie der photoaktiven Schicht mit einer hohen Vergrößerung erhalten (50.000 ×). Die Phasentrennungsstruktur von Ti (IV) -isopropoxid oder -ethylat akzeptabel waren und hatten eine ausreichende Kontinuität. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
| Titan (IV) isopropoxid | Titan (IV) -ethylat | Titan (IV) butoxid | Titan (IV) butoxid Polymer | |
| Jsc [uA / 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 |
Tabelle 1: Solarzellleistung für verschiedene chemische Sperrigkeit von Ti-Alkoxide. Diese Tabelle wird vom Referenz 21. Die JV Eigenschaften der Solarzellen BHJ für jedes Ti-Alkoxid sind in 1, und die entsprechenden Leistungsparameter sind in dieser Tabelle aufgeführt gezeigt modifiziert.
Tabelle 2: Die repräsentative PhasentrennungModelle für vorhandene freie Ladungsträger zu analysieren. Diese Tabelle von Referenz 21. Idealer modifiziert wird, Morphologien, wie das Modell B, werden aus der Sicht der Existenz vieler freier Ladungsträger erforderlich.
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Discussion
Um die Bauschigkeit Moleküls in diesem Verfahren zu verwenden, ist es wichtig, die Bedingungen für die Filmbildung durch Schleuderbeschichtung zu kennen. Zunächst werden die p-Typ- und n-Typ-Halbleitern müssen sich in den Lösungsmitteln gelöst werden. Wenn etwas Material bleibt, wird es die großen Kern der Domänen in der photoaktiven Schicht geworden. Die Verwendung eines geeigneten kommerziellen Filter für einzelne Lösungsmittel wird empfohlen, das verbleibende Material zu entfernen. Als nächstes, in dem die Vorläuferlösung, die Moleküle gleichförmig und homogen wie die fotoaktive Schicht auf der ITO / Glassubstrat in ca. 60 s gedruckt werden auflösen müssen. Dieses Verfahren ist mit den folgenden drei Schritten durchgeführt. Zuerst werden die Vorläuferlösung und ITO / Glassubstrat bei einer Temperatur von etwa 70 ° C gehalten. Zweitens wird das Substrat auf der Stufe der Schleuderbeschichtungsvorrichtung unverzüglich eingestellt. Schließlich werden einige Tropfen der Vorläuferlösung auf der Oberfläche des Substrats gegossen und ausgebreitet, so baldwie möglich, und die Spin-Coater wird sofort gestartet. Das erhitzte Substrat verhindert ein rasches Absinken der Temperatur der Vorläuferlösung auf dem ITO / Glassubstrat. Dieses Verfahren steuert die Edukte aus der Vorläuferlösung durch eine schnelle thermische Veränderung. Die Wirkung des erhitzten Precursor-Lösung fördert die auf dem Substrat aufgrund der Verringerung der Viskosität glatte Ausbreitung und erleichtert die Bildung einer gleichmäßig flachen dünnen Film. Darüber hinaus ist die Spin-Beschichtungsverfahren vom Deckel freigelegt durchgeführt. Dies fördert die Verdampfung der Lösungsmittel aus dem Substrat während der ~ 60-s-Prozess.
Wenn Probleme auftreten, wenn die oben genannten Verfahren aufgrund der experimentellen und Ausrüstung Bedingungen verwendet wird, werden folgende Methoden empfohlen. Wenn das erhitzte Substrat nicht auf die Stufe der Schleuderbeschichtungsvorrichtung bewegen kann, kann das Substrat mit einer Heizpistole unmittelbar vor dem Gebrauch erwärmt werden. Wenn darüber hinaus mehr Zeit benötigt, um die Vorläuferlösung fallen zu lassen, Heizung ter Vorläuferlösung auf etwa 75-80 ° C empfohlen.
Darüber hinaus wird die Phasentrennungsstruktur und Phasendomänengröße unterschiedlich sein, abhängig von der einzelnen Elektronendonor ausgewählt. Wenn ein Elektronendonor außer PFO-DBT ausgewählt ist, werden eine Änderung in der p / n-Verhältnis und einem Gemisch aus zwei Ti-Alkoxide mit unterschiedlichen Sperrigkeit als Elektronenakzeptor nützliche Verfahren für eine geeignete Phasentrennungsstruktur zu erhalten. Unser Verfahren zum Steuern der Phasentrennungsstruktur unterscheidet sich von der herkömmlichen Lösungsmittelverfahren 18-20, 33. Daher können unsere Methode zur Elektronen- Donoren und Akzeptoren modifiziert werden, die Löslichkeiten in nur wenigen begrenzten Lösungsmittel haben.
Schließlich haben wir ein Verfahren zur Herstellung von vollständig bedruckbar, Fulleren frei, bulk-Heterojunction-Solarzellen auf der Basis der Verwendung von Ti-Alkoxide als Elektronenakzeptor und ein halbleitendes Polymer als Elektronendonor demonstriert. Weiterhin tsein Protokoll gezeigt, dass es die Phasentrennungsstruktur zu steuern durch Verwendung der molekularen Sperrigkeit ohne Verwendung des herkömmlichen Lösungsmittelverfahren wirksam ist. Dieses Verfahren kann auf Systeme mit mehreren n-Typ- und p-Typ-Halbleiter, der nur auflösen in wenigen Lösungsmitteln anwendbar. Wir erwähnen auch die Grenzen dieser Methode. Wir sind der Meinung, dass diese Methode nützlich ist, nur in einem Zwei-Bestandteil-System. Dies liegt daran, dass diese Methode die Phasentrennung durch behindern Selbstorganisation steuern kann die Voluminosität eines Moleküls aus zwei Arten von Molekülen. Deshalb können wir nicht sagen, dass ein Drei-Bestandteil-System anwendbar ist. Wir werden die Anwendbarkeit dieser Systeme in der Zukunft untersuchen. Wir gehen davon aus, dass zusätzlich zu vollständig organischen Solarzellen, Hybridsolarzellen werden auch in naher Zukunft populär geworden.
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Disclosures
Die Autoren erklären, dass sie keine finanziellen Interessen haben.
Acknowledgments
Diese Arbeit wurde teilweise durch JSPS KAKENHI Grantnummer 25871029 unterstützt, der Nippon Sheet Glass Foundation for Materials Science and Engineering, und der Tochigi Industrie Promotion Center. Das National Institute of Technology, Oyama College, auch mit den Kosten für die Veröffentlichung dieses Artikels unterstützt.
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 |
References
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