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Engineering

पूरी तरह से मुद्रण योग्य कार्बनिक अकार्बनिक थोक heterojunction सौर कोशिकाओं के लिए नियंत्रण आकृति विज्ञान एक तिवारी alkoxide और Semiconducting पॉलिमर के आधार पर

Published: January 10, 2017 doi: 10.3791/54923
Automatic Translation
1, 1, 1, 2
1Department of Mechanical Engineering, National Institute of Technology, Oyama College, 2Ashizawa Finetech Ltd.

Summary

पूरी तरह से प्रिंट करने योग्य, फुलरीन मुक्त, अत्यधिक एयर स्थिर, थोक-heterojunction सौर इलेक्ट्रॉन स्वीकर्ता और इलेक्ट्रॉन दान बहुलक निर्माण के रूप में तिवारी alkoxides के आधार पर कोशिकाओं के लिए एक विधि यहाँ वर्णित है। इसके अलावा, तिवारी alkoxide इकाइयों की आणविक स्थूलता के माध्यम से प्रकाश सक्रिय परत की आकृति विज्ञान को नियंत्रित करने के लिए एक विधि की सूचना दी है।

Introduction

जैविक फोटोवोल्टिक उपकरणों उनकी कम उत्पादन लागत और हल्के वजन के कारण 1-7 होनहार अक्षय ऊर्जा स्रोतों माना जाता है। इन लाभों के कारण, वैज्ञानिकों की एक बड़ी संख्या इस होनहार क्षेत्र में डूब गया है। पिछले दशक में, डाई अवगत, जैविक पतली फिल्म, और perovskite अवगत सौर कोशिकाओं सत्ता परिवर्तन दक्षता में महत्वपूर्ण प्रगति इस क्षेत्र 8 में हासिल किया है।

विशेष रूप से, जैविक पतली फिल्म सौर कोशिकाओं और BHJ जैविक पतली फिल्म सौर सेल प्रौद्योगिकी सौर ऊर्जा के उपयोग के लिए कुशल और लागत प्रभावी समाधान कर रहे हैं। [60] PCBM या: इसके अलावा, ऊर्जा रूपांतरण दक्षता इलेक्ट्रॉन स्वीकर्ता (फिनाइल-सी 61 -Butyric एसिड मिथाइल एस्टर के रूप में इलेक्ट्रॉन दाता और फुलरीन डेरिवेटिव में कम-बैंड अंतराल पॉलिमर के उपयोग के साथ 10% से अधिक पहुँच गया है फिनाइल-सी 71 -Butyric एसिड मिथाइल एस्टर: [70] PCBM) 9-11। इसके अलावा, कुछ शोधकर्ताओं जएवेन्यू पहले से ही प्रकाश सक्रिय परत है, जो कम-बैंड अंतराल पॉलिमर और फुलरीन डेरिवेटिव के साथ निर्माण किया है एक उच्च समग्र दक्षता प्राप्त करने के लिए BHJ संरचना के महत्व को सूचना दी। हालांकि, फुलरीन डेरिवेटिव हवा के प्रति संवेदनशील हैं। इसलिए, एक एयर स्थिर इलेक्ट्रॉन को स्वीकार सामग्री एक विकल्प के रूप में की आवश्यकता है। कुछ रिपोर्टों के पहले जैविक फोटोवोल्टिक कोशिकाओं है कि इस्तेमाल एन-प्रकार semiconducting पॉलिमर या धातु आक्साइड इलेक्ट्रॉन स्वीकारकर्ताओं के रूप में के नए प्रकार का सुझाव दिया। इन रिपोर्टों में एयर स्थिर, फुलरीन मुक्त, जैविक पतली फिल्म सौर कोशिकाओं 12-15 के विकास का समर्थन किया।

हालांकि, इसके विपरीत सिस्टम या एन-प्रकार semiconducting बहुलक प्रणालियों फुलरीन करने के लिए, प्रकाश सक्रिय परत में BHJ संरचना है, जो प्रभारी जुदाई और चार्ज हस्तांतरण क्षमता है की एक संतोषजनक प्रदर्शन प्राप्त करने, धातु ऑक्साइड सिस्टम 16-17 में मुश्किल है। इसके अलावा, फुलरीन डेरिवेटिव और एन-प्रकार semiconducting पॉलिमर उच्च घुलनशीलता हैकई सॉल्वैंट्स में। इसलिए, यह विलायक है, जो प्रकाश सक्रिय परत 18-20 के अग्रदूत के रूप में है एक स्याही समाधान का चयन करके प्रकाश सक्रिय परत की आकृति विज्ञान को नियंत्रित करने के लिए आसान है। इसके विपरीत, धातु alkoxide एक इलेक्ट्रॉन दान बहुलक के साथ संयोजन में इस्तेमाल किया प्रणालियों के मामले में, दोनों अर्धचालकों लगभग सभी सॉल्वैंट्स में अघुलनशील हैं। इसका कारण यह है धातु alkoxides विलायक में एक उच्च घुलनशीलता की जरूरत नहीं है। इसलिए, आकृति विज्ञान नियंत्रण के लिए सॉल्वैंट्स के चयनात्मकता बेहद कम है।

इस अनुच्छेद में, हम आणविक स्थूलता का उपयोग कर मुद्रण योग्य और अत्यधिक एयर स्थिर BHJ सौर कोशिकाओं के निर्माण के लिए द्वारा प्रकाश सक्रिय परत की आकृति विज्ञान को नियंत्रित करने के लिए एक विधि की रिपोर्ट। हम फुलरीन मुक्त BHJ सौर कोशिकाओं की प्रगति के लिए आकृति विज्ञान नियंत्रण के महत्व का वर्णन है।

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Protocol

सौर सेल निर्माण के लिए ईण्डीयुम टिन ऑक्साइड (आईटीओ) ग्लास के 1. तैयारी

  1. इतो / ग्लास सब्सट्रेट कट।
    1. एक ग्लास कटर का प्रयोग, आईटीओ / ग्लास सब्सट्रेट (× 10 सेमी 10 सेमी) टुकड़ों में लगभग 2 सेमी को मापने × 2 सेमी काटा।
  2. रासायनिक आईटीओ प्रवाहकीय परत खोदना।
    1. एक डिजिटल मल्टीमीटर प्रयोग, जाँच करें कि आईटीओ / कांच के टुकड़े के शीर्ष एक प्रवाहकीय पक्ष है।
    2. आईटीओ / कांच के टुकड़े के दोनों किनारों पर मास्किंग टेप की जगह, बीच में 2 मिमी × 2 सेमी की एक केंद्रीय क्षेत्र को छोड़कर। मास्किंग टेप का उपयोग करना, नक़्क़ाशी से आईटीओ प्रवाहकीय परत के बाकी की रक्षा।
    3. आईटीओ / कांच के टुकड़े की सतह से आईटीओ प्रवाहकीय परत को हटाने के लिए आईटीओ प्रवाहकीय परत पर एचसीएल (1 एम) की कुछ बूँदें डालो। लगभग 3 मिनट के बाद, एक कपास झाड़ू का उपयोग एचसीएल पोंछ, और फिर मास्किंग टेप निकालें।
  3. आईटीओ / कांच के टुकड़े Pretreat।
    1. आईटीओ / एक में कांच के टुकड़े की जगहकांच का मामला है और पानी के साथ मामले को भरने।
    2. एक पानी के स्नान है कि दो-तिहाई पानी से भरा है में कांच के मामले की जगह और एक अल्ट्रासोनिक क्लीनर देते हैं। फिर, आईटीओ / कांच के टुकड़े पर शेष रासायनिक एचेंट के कुछ निशान को दूर करने के लिए लगभग 15 मिनट के लिए अल्ट्रासोनिक क्लीनर पर बारी। इन टुकड़ों को 15 मिनट प्रत्येक के लिए, पानी, एसीटोन, और isopropyl शराब, क्रमशः के साथ एक अल्ट्रासोनिक स्नान में धो लें, और फिर उन्हें शुष्क हवा की एक धारा में सूखी। 42 kHz के एक oscillatory आवृत्ति पर ultrasonication प्रदर्शन करना।
    3. एक पराबैंगनी ओजोन (यूवी-ओ 3) क्लीनर अंदर आईटीओ / कांच के टुकड़े प्लेस और 30 मिनट के लिए मशीन चलाते हैं।

प्रकाश सक्रिय लेयर के लिए अग्रदूत समाधान की 2. तैयारी

  1. एक इलेक्ट्रॉन के रूप में पाली [2,7- (9,9-dioctylfluorene) -alt-4,7-बीआईएस (thiophen-2-YL) बेंजो-2,1,3-thiadiazole] (PFO-डीबीटी) के 0.5 मिलीग्राम भंग दाता और chlorobenzene के 1 एमएल में तिवारी alkoxide के 1.0 मिग्रा। चयन इलेक्ट्रॉन के रूप में निम्नलिखित तिवारी alkoxidesस्वीकारकर्ताओं: तिवारी (चतुर्थ) isopropoxide, ethoxide, butoxide, और butoxide बहुलक। फिर, पफो-डीबीटी के 0.5 मिलीग्राम और एक संदर्भ के रूप में chlorobenzene के 1 एमएल में [60] PCBM के 1.0 मिलीग्राम भंग।
    नोट: यहाँ, होमो-Lumo स्तर के रूप में 21 प्रकार हैं। पफो-डीबीटी: 5.4-3.53 eV, तिवारी (चतुर्थ) isopropoxide: 7.49-3.86 eV, ethoxide: 7.55-3.90 eV, butoxide: 7.53-3.76 eV, और butoxide बहुलक: 7.57-3.83 Ev।
  2. एक चुंबकीय गर्म दोषी पर 70 डिग्री सेल्सियस के अग्रदूत समाधान गर्मी, जबकि यह 700 आरपीएम की घूर्णन गति में हलचल पट्टी के साथ क्रियाशीलता। प्रकाश के अभाव में 20 मिनट के लिए यह मत करो, जब तक समाधान नेत्रहीन नंगी आंखों से स्पष्ट है। प्रकाश के अभाव में कमरे के तापमान का हल कूल, फिर से, भविष्य में उपयोग के लिए।

3. प्रकाश सक्रिय लेयर का निर्माण

  1. स्पिन कोटिंग द्वारा फिल्म जमा।
    1. प्रकाश सक्रिय परत और 70 डिग्री सेल्सियस के लिए आईटीओ / कांच के टुकड़े के अग्रदूत समाधान हीट। 10 मिनट के लिए, एक चुंबकीय गर्म हलचल पर अग्रदूत समाधान गर्मीRER 70 डिग्री सेल्सियस तक गर्म और 700 आरपीएम की घूर्णन गति में एक हलचल पट्टी का उपयोग करें। एक चीनी मिट्टी गर्म थाली 70 डिग्री सेल्सियस तक गर्म 5 मिनट के लिए पर इतो / कांच के टुकड़े गरम करें।
    2. स्पिन coater के निर्वात मंच के केंद्र में आईटीओ / ग्लास टुकड़ा रखें, लगभग 70 डिग्री सेल्सियस के लिए एक गर्मी बंदूक के साथ यह गर्मी, और वैक्यूम पर बारी।
      नोट: वैक्यूम 30 एल / मिनट की एक पंप की गति के साथ एक वैक्यूम पंप का उपयोग करके बनाया जाता है। वैक्यूम पंप के परम दबाव 26.6 × 10 3 Pa है।
    3. आईटीओ / ग्लास टुकड़े पर प्रकाश सक्रिय परत के अग्रदूत समाधान की कुछ बूँदें डालो और हवा में 60 एस के लिए 2,000-6,000 rpm पर स्पिन coater शुरू करते हैं।
      नोट: अग्रदूत समाधान की मात्रा 0.5 एमएल, एक 1-एमएल spuit के साथ मापा जाता है।
    4. प्रकाश सक्रिय परत के रूप में एक 50 एनएम-मोटी फिल्म प्राप्त करने के लिए प्रकाश की अनुपस्थिति में एक हवाई वातावरण में कमरे के तापमान पर 10 मिनट के लिए प्रकाश सक्रिय परत की सतह सूखी।
  2. अतिरिक्त फिल्म निकालें।
    1. अतिरिक्त phot साफ कर लेंchlorobenzene के साथ गीला एक कपास झाड़ू से आईटीओ / कांच के टुकड़े की सतह से oactive परत।
    2. प्रकाश के अभाव में एक हवाई वातावरण में कमरे के तापमान पर 10 मिनट के लिए फिर से प्रकाश सक्रिय परत सूखी।
      नोट: हमारी प्रयोग के कमरे के तापमान 25 डिग्री सेल्सियस पर बनाए रखा है।

4. इलेक्ट्रोड का निर्माण

  1. जैविक इलेक्ट्रोड प्रिंट।
    1. एक स्क्रीन प्रिंटर का प्रयोग, प्रकाश सक्रिय परत 22 पर पाली (3,4-ethylenedioxythiophene) -poly (styrenesulfonate) (PEDOT-पीएसएस) रखकर एक जैविक इलेक्ट्रोड प्रिंट। धातु मुखौटा 50 माइक्रोन मोटी है, और मुद्रण के क्षेत्र में 20 मिमी × 5 मिमी है।
    2. प्रकाश के अभाव में एक हवाई वातावरण में कमरे के तापमान पर 30 मिनट के लिए जैविक इलेक्ट्रोड सूखी।

5. सौर कोशिकाओं के लिए फाड़ना

  1. 1.5 सेमी के आयामों के साथ टुकड़ों में कांच के अध कट एक हीरे कटर का उपयोग 2.5 सेमी ×। फैलानाएक epoxy राल ग्लास सब्सट्रेट पर एक प्लास्टिक रंग का उपयोग। इसे बचाने के लिए प्रकाश सक्रिय परत पर epoxy राल के साथ कांच के अध रखें।

6. सौर सेल प्रदर्शन को मापने के लिए तैयारी

  1. उन्हें एसीटोन के साथ गीला एक कपास झाड़ू के साथ पोंछते द्वारा इलेक्ट्रोड साफ करें। आईटीओ पर एक सहायक इलेक्ट्रोड एक अल्ट्रासोनिक टांका लगाने की प्रणाली का उपयोग कर देते हैं। एक 42 किलोहर्ट्ज़ आवृत्ति पर और 230 डिग्री सेल्सियस पर टांका लगाने का कार्य करते हैं।

सौर सेल प्रदर्शन 7. मापन

  1. एक प्रत्यक्ष वर्तमान वोल्टेज वर्तमान स्रोत / मॉनिटर एकीकृत प्रणाली का उपयोग करके उपाय सौर कोशिकाओं की वर्तमान वोल्टेज (जेवी) विशेषताओं, सौर सिम्युलेटर के साथ सिलिकॉन photodiode द्वारा 100 मेगावाट / 2 सेमी की एक नकली AM1.5G प्रदान करने के लिए calibrated।
    नोट: जेवी घटता की माप के बारे में अधिक विस्तृत जानकारी के लिए कहीं और पाया जा सकता है 23, 24।

8. analyपहले चरण जुदाई संरचना की बहन

  1. जैविक इलेक्ट्रोड के बिना और फाड़ना प्रक्रिया के बिना, तिवारी alkoxide और पफो-डीबीटी, सौर सेल निर्माण के लिए एक ही विधि का उपयोग कर के साथ निर्माण प्रकाश सक्रिय परतों के अलग-अलग फिल्मों तैयार करें।
  2. चरण जुदाई संरचना का विश्लेषण करने के क्रम में एक उच्च वृद्धि (50,000 ×) पर प्रकाश सक्रिय परत की आकृति विज्ञान निरीक्षण करने के लिए एक ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप या एक स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप (SEM) का प्रयोग करें।
    नोट: SEM ऑपरेशन के बारे में अधिक विस्तृत जानकारी के लिए कहीं और पाया जा सकता है 25, 26।

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Representative Results

हम पूरी तरह से मुद्रण योग्य कार्बनिक अकार्बनिक BHJ सौर कोशिकाओं, साथ ही चरण जुदाई संरचना को नियंत्रित करने के लिए एक विधि fabricating के लिए एक प्रोटोकॉल प्रस्तुत किया है। सौर सेल प्रदर्शन बड़े पैमाने पर किया गया है 27-31 की जांच जब तिवारी (चतुर्थ) isopropoxide और ethoxide इलेक्ट्रॉन को स्वीकार सामग्री (चित्रा 1) के रूप में इस्तेमाल किया गया। ये सौर कोशिकाओं को एक शॉर्ट सर्किट वर्तमान घनत्व (JSC) है कि "तिवारी (चतुर्थ) butoxide बहुलक" (तालिका 1) का उपयोग उपकरणों की तुलना में लगभग आठ गुना अधिक का प्रदर्शन किया। प्रकाश सक्रिय परत में जिसके परिणामस्वरूप morphologies तस्वीर पीढ़ी और मुक्त वाहक के अस्तित्व और उनके परिवहन के लिए पर्याप्त थे। दूसरे शब्दों में, यह तिवारी alkoxide की स्थूलता का चयन करके वाहक प्रबंधन संरचना को नियंत्रित करने के लिए संभव है। कुछ पिछले कार्यों से पता चला है कि एक BHJ के प्रकाश सक्रिय परत में वाहक प्रबंधन के लिए चरण जुदाई संरचनासौर सेल फुलरीन डेरिवेटिव का उपयोग कर एक महत्वपूर्ण कारक 32-34 है। यह भी इस काम में जांच कार्बनिक अकार्बनिक प्रणाली के लिए महत्वपूर्ण है।

हम वाहक प्रबंधन द्वारा Jsc के बीच संबंधों को और चरण जुदाई संरचना तीन अलग-अलग तालिका 2 में संक्षेप मॉडल का उपयोग व्याख्या कर सकते हैं। इसके अलावा, हम SEM के माध्यम से चरण-जुदाई संरचना की जांच की, और SEM छवियों चरण जुदाई मॉडल (चित्रा 2) के साथ तुलना की गई। जब तिवारी (चतुर्थ) butoxide बहुलक इस्तेमाल किया गया था, प्रभारी पीढ़ी के क्षेत्र अपर्याप्त था। नतीजतन, यह एक कम Jsc ​​मूल्य में यह परिणाम है। यही कारण है, तिवारी (चतुर्थ) butoxide बहुलक का आत्म संगठन मुख्य रूप से अणु की पैकिंग द्वारा पदोन्नत किया है। जब "तिवारी (चतुर्थ) butoxide" एक एन-प्रकार अर्धचालक के रूप में इस्तेमाल किया गया था, चरण डोमेन अलग थे, जो मुक्त वाहकों के चार्ज हस्तांतरण एक उच्च प्राप्त करने के लिए अपर्याप्त हैजीएच Jsc मूल्य। तिवारी (चतुर्थ) butoxide की रासायनिक संरचना तिवारी (चतुर्थ) isopropoxide और ethoxide की तुलना में bulkier है। इसलिए, तिवारी की रासायनिक स्थूलता (चतुर्थ) butoxide जरूरत से ज्यादा पी प्रकार semiconducting बहुलक का आत्म संगठन रुकावट। दूसरी ओर, जब तिवारी (चतुर्थ) isopropoxide या ethoxide इस्तेमाल किया गया था, इन morphologies डोमेन आकार और चरण निरंतरता के बीच एक अच्छा संतुलन प्रभारी पीढ़ी, मुक्त वाहक के अस्तित्व और उनके परिवहन की दृष्टि से प्रदान की है।

आकृति 1
चित्रा 1: तिवारी alkoxide के विभिन्न रासायनिक स्थूलता के लिए सौर कोशिकाओं के जेवी विशेषताओं। यह आंकड़ा संदर्भ 21. जेवी विशेषताओं से संशोधित किया गया है काफी तिवारी alkoxide अणु का चयन करके बदल रहे हैं। वी के लिए यहां क्लिक करेंयह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण iew।

चित्र 2
चित्रा 2: चरण जुदाई संरचनाओं का विश्लेषण करने के लिए इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप (SEM) छवियों स्कैनिंग। यह आंकड़ा संदर्भ 21. से संशोधित किया गया है प्रकाश सक्रिय परत की आकृति विज्ञान एक उच्च बढ़ाई (50,000 ×) में प्राप्त की है। तिवारी के चरण जुदाई संरचनाओं (चतुर्थ) isopropoxide या ethoxide स्वीकार्य थे और एक पर्याप्त निरंतरता था। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

टाइटेनियम (चतुर्थ) isopropoxide टाइटेनियम (चतुर्थ) ethoxide टाइटेनियम (चतुर्थ) butoxide टाइटेनियम (चतुर्थ) butoxide बहुलक
जेएससी [μA / 2 सेमी] 191 182 121 25
VOC [V] 0.53 0.61 0.61 0.16
एफएफ 0.31 0.33 0.23 0.18
PCE [%] 0.031 0.036 0.017 0.0007

तालिका 1: तिवारी alkoxides के विभिन्न रासायनिक स्थूलता के लिए सौर सेल प्रदर्शन। इस तालिका में प्रत्येक तिवारी alkoxide के लिए BHJ सौर कोशिकाओं के संदर्भ 21. जेवी विशेषताओं से संशोधित किया गया है 1 चित्र में दिखाए जाते हैं, और इसी प्रदर्शन के मानकों इस तालिका में सूचीबद्ध हैं।

सारणी 2
तालिका 2: प्रतिनिधि चरण जुदाईविद्यमान मुक्त वाहक का विश्लेषण करने के लिए मॉडल। इस तालिका में संदर्भ 21. आदर्श रूप में, इस तरह के मॉडल बी के रूप में morphologies से संशोधित किया गया है, कई मुफ्त वाहक के अस्तित्व की दृष्टि से आवश्यक हैं।

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Discussion

आदेश में इस विधि में अणु की स्थूलता का उपयोग करने के लिए, यह स्पिन कोटिंग से फिल्म निर्माण के लिए शर्तों को पता करने के लिए महत्वपूर्ण है। सबसे पहले, पी-प्रकार और एन-प्रकार अर्धचालक सॉल्वैंट्स में भंग किया जा करने के लिए सक्षम होना चाहिए। जब कुछ सामग्री रहता है, यह प्रकाश सक्रिय परत में डोमेन की बड़ी कोर बन जाएगा। व्यक्तिगत सॉल्वैंट्स के लिए एक पर्याप्त वाणिज्यिक फिल्टर का उपयोग शेष सामग्री को हटाने की सिफारिश की है। अगले, अग्रदूत समाधान जिसमें अणुओं को भंग समान रूप से और समान रूप से लगभग 60 एस में आईटीओ / ग्लास सब्सट्रेट पर प्रकाश सक्रिय परत के रूप में मुद्रित किया जाना चाहिए। इस प्रक्रिया के बाद तीन चरणों के साथ मार डाला है। सबसे पहले, अग्रदूत समाधान और आईटीओ / ग्लास सब्सट्रेट लगभग 70 डिग्री सेल्सियस के तापमान पर रखा जाता है। दूसरा, सब्सट्रेट तुरंत स्पिन coater के मंच पर सेट किया जाता है। अंत में, अग्रदूत समाधान की कुछ बूँदें डाल रहे हैं और सब्सट्रेट की सतह पर फैल गया, जैसे हीसंभव के रूप में, और स्पिन coater तुरंत शुरू कर दिया है। गर्म सब्सट्रेट आईटीओ / ग्लास सब्सट्रेट पर अग्रदूत समाधान के तापमान में तेजी से कमी रोकता है। इस पद्धति का एक तेजी से थर्मल परिवर्तन से अग्रदूत समाधान से educts नियंत्रित करता है। गर्म अग्रदूत समाधान के प्रभाव का चिपचिपापन में कमी के कारण सब्सट्रेट पर फैल रहा है, चिकनी को बढ़ावा देता है, और एक समान रूप से फ्लैट पतली फिल्म के गठन की सुविधा। इसके अलावा, स्पिन कोटिंग प्रक्रिया से बाहर किया जाता है ढक्कन द्वारा खुला। यह ~ 60-एस की प्रक्रिया के दौरान सब्सट्रेट से सॉल्वैंट्स का वाष्पीकरण को बढ़ावा देता है।

यदि समस्या होती है जब प्रयोगात्मक और उपकरणों की स्थिति के कारण उपरोक्त विधि का उपयोग, निम्न विधियों में सिफारिश कर रहे हैं। गर्म सब्सट्रेट स्पिन coater के मंच पर कदम नहीं कर सकते हैं, तो सब्सट्रेट एक गर्मी उपयोग करने से पहले तुरंत बंदूक के साथ गर्म हो सकता है। इसके अलावा, अधिक समय अग्रदूत समाधान ड्रॉप करने के लिए की जरूरत है, हीटिंग टीवह समाधान अग्रदूत साबित करने के लिए लगभग 75-80 डिग्री सेल्सियस की सिफारिश की है।

इसके अलावा, चरण जुदाई संरचना और चरण-डोमेन का आकार चुने गए व्यक्ति इलेक्ट्रॉन दाता के आधार पर अलग अलग हो जाएगा। जब पफो-डीबीटी को छोड़कर एक इलेक्ट्रॉन दाता चुना जाता है, पी / एन अनुपात में बदलाव और इलेक्ट्रॉन स्वीकर्ता के रूप में विभिन्न स्थूलता के साथ दो तिवारी alkoxides का एक मिश्रण एक उपयुक्त चरण जुदाई संरचना प्राप्त करने के लिए उपयोगी तरीके हैं। चरण जुदाई संरचना को नियंत्रित करने के लिए हमारे विधि पारंपरिक विलायक विधि 18-20, 33 से अलग है। इसलिए, हमारे विधि इलेक्ट्रॉन दाताओं और स्वीकारकर्ताओं है कि केवल कुछ सीमित सॉल्वैंट्स में solubilities करने के लिए संशोधित किया जा सकता है।

अंत में, हम पूरी तरह से प्रिंट करने योग्य, फुलरीन मुक्त, थोक-heterojunction सौर इलेक्ट्रॉन स्वीकर्ता और इलेक्ट्रॉन दाता के रूप में एक semiconducting बहुलक के रूप में तिवारी alkoxides के उपयोग के आधार पर कोशिकाओं के निर्माण के लिए एक विधि का प्रदर्शन किया है। इसके अलावा, टीउसकी प्रोटोकॉल प्रदर्शन किया है कि यह पारंपरिक विलायक विधि का उपयोग किए बिना, आणविक स्थूलता का उपयोग करके चरण जुदाई संरचना को नियंत्रित करने के लिए प्रभावी है। इस विधि के कई एन-प्रकार और पी-प्रकार अर्धचालक का उपयोग कर प्रणाली है, जो केवल कुछ सॉल्वैंट्स में भंग करने के लिए लागू किया जा सकता है। हम भी इस विधि की सीमाओं का उल्लेख है। हमें लगता है कि यह पद्धति केवल एक दो घटक प्रणाली में उपयोगी है। इसका कारण यह है इस विधि आत्म संगठन के अणुओं के दो प्रकार के बाहर एक अणु की स्थूलता का उपयोग कर निरोधक द्वारा चरण जुदाई को नियंत्रित कर सकते है। इसलिए, हम यह नहीं कह सकते कि एक तीन घटक प्रणाली लागू होगी। हम भविष्य में इन प्रणालियों के लिए प्रयोज्यता की जांच करेंगे। हम उम्मीद करते हैं कि, इसके अलावा में पूरी तरह से कार्बनिक सौर कोशिकाओं, संकर सौर कोशिकाओं को भी लोकप्रिय निकट भविष्य में हो जाएगा।

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Disclosures

लेखकों घोषणा की कि वे कोई प्रतिस्पर्धा वित्तीय हितों की है कि।

Acknowledgments

इस काम आंशिक JSPS KAKENHI अनुदान संख्या 25871029, सामग्री विज्ञान और इंजीनियरिंग के लिए निप्पॉन शीट ग्लास फाउंडेशन, और Tochigi औद्योगिक संवर्धन केंद्र द्वारा समर्थित किया गया। राष्ट्रीय प्रौद्योगिकी संस्थान, Oyama कॉलेज, भी इस लेख के प्रकाशन की लागत के साथ सहायता प्रदान की।

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

  1. Price, C. S., Stuart, C. A., Yang, L., Zhou, H., You, W. Fluorine substituted conjugated polymer of medium band gap yields 7% efficiency in polymer-fullerene solar cells. J. Am. Chem. Soc. 133 (12), 4625-4631 (2011).
  2. Liang, Y. Y., et al. For the bright future-Bulk heterojunction polymer solar cells with power conversion efficiency of 7.4%. Adv. Mater. 22, 135-138 (2010).
  3. Chu, T. -Y., et al. Bulk heterojunction solar cells using thieno[3,4-c]pyrrole-4,6-dione and dithieno[3,2-b:2',3'-d]silole copolymer with a power conversion efficiency of 7.3%. J. Am. Chem. Soc. 133 (12), 4250-4253 (2011).
  4. Zhou, H., et al. Development of fluorinated benzothiadiazole as a structural unit for a polymer solar cell of 7% efficiency. Angew. Chem. Int. Ed. 50 (13), 2995-2998 (2011).
  5. Janssen, J. A. R., Nelson, J. Factors limiting device efficiency in organic photovoltaics. Adv. Mater. 25 (13), 1847-1858 (2012).
  6. Nelson, J. Polymer:fullerene bulk heterojunction solar cells. Mater. Today. 14 (10), 462-470 (2011).
  7. 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. Nat. Photonics. 6, 591-595 (2012).
  8. Baena, J. P. C., et al. Highly efficient planar perovskite solar cells through band alignment engineering. Energy Environ. Sci. 8, 2928-2934 (2015).
  9. Shuttle, G. C., Hamilton, R., O'Regan, B. C., Nelson, J., Durrant, R. J. Charge-density-based analysis of the current-voltage response of polythiophene/fullerene photovoltaic devices. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 107, 16448-16452 (2010).
  10. Dibb, G. F. A., Kirchartz, T., Credgington, D., Durrant, R. J., Nelson, J. Analysis of the relationship between linearity of corrected photocurrent and the order of recombination in organic solar cells. J. Phys. Chem. Lett. 2 (19), 2407-2411 (2011).
  11. Maurano, A., et al. Transient optoelectronic analysis of charge carrier losses in a selenophene:fullerene blend solar cell. J. Phys. Chem. C. 115, 5947-5957 (2011).
  12. Yuan, Y., Michinobu, T., Oguma, J., Kato, T., Miyake, K. Attempted inversion of semiconducting features of platinum polyyne polymers: A new approach for all-polymer solar cells. Macromol. Chem. Phys. 214 (13), 1465-1472 (2013).
  13. Granström, M., et al. Laminated fabrication of polymeric photovoltaic diodes. Nature. 395, 257-260 (1998).
  14. Hal, A. P., et al. Photoinduced electron transfer and photovoltaic response of a MDMO-PPV:TiO2 bulk-heterojunction. Adv. Mater. 15 (2), 118-121 (2003).
  15. Das, K. S., et al. Controlling the processable ZnO and polythiophene interface for dye-densitized thin film organic solar cells. Thin Solid Films. , 302-307 (2013).
  16. Campoy-Quiles, M., et al. Morphology evolution via self-organization and lateral and vertical diffusion in polymer:fullerene solar cell blends. Nature Materials. 7, 158-164 (2008).
  17. Schmidt-Hansberg, B., et al. Moving through the phase diagram: morphology formation in solution cast polymer-fullerene blend films for organic solar cells. ACS Nano. 5 (11), 8579-8590 (2011).
  18. Hou, Q., et al. Novel red-emitting fluorene-based copolymers. J. Mater. Chem. 12, 2887-2892 (2002).
  19. Zheng, L., et al. Synthesis of C60 derivatives for polymer photovoltaic cell. Synth. Met. 135, 827-828 (2003).
  20. Svensson, M., et al. High-performance polymer solar cells of an alternating polyfluorene copolymer and a fullerene derivative. Adv. Mater. 15 (12), 988-991 (2003).
  21. Kato, T., et al. Morphology control for highly efficient organic-inorganic bulk heterojunction solar cell based on Ti-alkoxide. Thin Solid Films. 600, 98-102 (2016).
  22. Shibata, Y., et al. Quasi-solid dye sensitized solar cells with ionic liquid Increase in efficiencies by specific interaction between conductive polymers and gelators. Chem. Comm. 21, 2730-2731 (2003).
  23. Wu, J., et al. A thermoplastic gel electrolyte for stable quasi-solid-state dye-sensitized solar cells. Adv. Funct. Mater. 17 (15), 2645-2652 (2007).
  24. Johansson, J. M. E., et al. Photovoltaic and interfacial properties of heterojunctions containing dye sensitized dense TiO2 and Tri-arylamine derivatives. Chem. Mater. 19 (8), 2017-2078 (2007).
  25. Echlin, P. Handbook of Sample Preparation for Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis. , Springer US. (2011).
  26. Flegler, S. L., Heckman, J. W., Klomparens, K. L. Scanning and Transmission Electron Microscopy: An Introduction. , Oxford University Press. UK. (1993).
  27. Cowan, R. S., Roy, A., Heeger, J. A. Recombination in polymer-fullerene bulk heterojunction solar cells. Phys. Rev. B. 82 (24), 245207 (2010).
  28. Street, A. R., Cowan, S., Heeger, J. A. Experimental test for geminate recombination applied to organic solar cells. Phys. Rev. B. 82 (12), 121301 (2010).
  29. Shuttle, G. C., et al. Charge extraction analysis of charge carrier densities in a polythiophene/fullerene solar cell: Analysis of the origin of the device dark current. Appl. Phys. Lett. 93, 183501 (2008).
  30. Shuttle, G. C., et al. Bimolecular recombination losses in polythiophene: Fullerene solar cells. Phys. Rev. B. 78, 113201 (2008).
  31. Reyes-Reyes, M., et al. Methanofullerene elongated nanostructure formation for enhanced organic solar-cells. Thin Solid Films. 516 (1), 52-57 (2007).
  32. Shuttle, G. C., et al. Experimental determination of the rate law for charge carrier decay in a polythiophene: Fullerene solar cell. Appl. Phys. Lett. 92, 093311 (2008).
  33. Mori, D., Benten, H., Ohkita, H., Ito, S., Miyake, K. Polymer/polymer blend solar cells improved by using high-molecular-weight fluorene-based copolymer as electron acceptor. ACS Appl. Mater. Interfaces. 4 (7), 3325-3329 (2012).
  34. You, J., et al. A polymer tandem solar cell with 10.6% power conversion efficiency. Nature Commun. 4, 1446 (2013).

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इंजीनियरिंग अंक 119 पूरी तरह से मुद्रण योग्य सौर कोशिकाओं थोक-heterojunction सौर सेल कार्बनिक अकार्बनिक संकर सौर सेल पतली फिल्म सौर सेल तिवारी alkoxide इलेक्ट्रॉन स्वीकर्ता चरण जुदाई
पूरी तरह से मुद्रण योग्य कार्बनिक अकार्बनिक थोक heterojunction सौर कोशिकाओं के लिए नियंत्रण आकृति विज्ञान एक तिवारी alkoxide और Semiconducting पॉलिमर के आधार पर
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Kato, T., Oinuma, C., Otsuka, M.,… More

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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