Yöntem makalesi

İyi hizalanmış dikey odaklı ZnO Nanorod diziler ve kendi uygulama içinde ters küçük molekül güneş hücreleri

DOI:

10.3791/56149

⸱

25 Nisan 2018

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Electrical Engineering, National United University, 2Research Center of Applied Science, Academia Sinica, 3Department of Graduate Institute of Photonics and Optoelectronics, National Taiwan University, 4Department of Electronic Engineering, Chung Yuan Christian University

Bu makalede

Özet

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Bu el yazması, tasarım ve verimli ters SMPV1:PC71BM güneş hücreleri bir yüksek kaliteli Al-katkılı ZnO (AZO) tohum katman üzerinde yetiştirilen ZnO nanorods (NRs) ile imal açıklar. İyi hizalanmış dikey odaklı ZnO NRs sergi yüksek kristal özellikleri. Güç dönüşüm verimliliği güneş hücreleri %6,01 ulaşabilirsiniz.

Özet

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Bu el yazması tasarlayıp verimli ters güneş hücreleri, bir iki boyutlu konjuge küçük molekül üzerinde (SMPV1) temel alan imal açıklar ve [6,6] - fenil - C71-bütirik asit metil ester (PC71BM), ZnO nanorods (NRs) kullanan tarafından bir yüksek kaliteli Al-katkılı ZnO (AZO) tohum katman üzerinde büyüdü. Ters SMPV1:PC71BM güneş hücreleri her iki bir sputter ve sol-jel işlenmiş AZO tohum katman üzerinde büyüdü ZnO NRs ile imal edilmiştir. Sol-jel yöntemiyle hazırlanan AZO ince film ile karşılaştırıldığında, sputter AZO ince film daha iyi kristalizasyon ve x-ışını kırınım (XRD) ve Atomik Kuvvet Mikroskobu (AFM) ölçümleri göre daha düşük yüzey pürüzlülüğü sergiler. Daha iyi yüzey türleri Morfoloji şekillendirme sonraki etkin katman ifade için yararlıdır daha iyi dikey hizalama, bir sputter AZO tohum katman üzerinde yetiştirilen ZnO NRs yönünü gösterir. Genel olarak, etkin katmanın yüzey morfolojisi esas olarak cihazların doldurma faktörü (FF) hakimdir. Sonuç olarak, iyi hizalanmış ZnO NRs etkin katmanın taşıyıcı koleksiyonu geliştirmek ve güneş hücreleri FF artırmak için kullanılabilir. Ayrıca, bir anti-refle yapısı, bu da ışık emilimi tabakası ile %6,01, sol-jel güneş hücreleri 4,74 bir verimlilik ile alan daha yüksek ulaşan güneş hücrelerinin güç dönüşüm verimliliği (PCE) hasat geliştirmek için yararlı olabilir %.

Giriş

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Organik fotovoltaik (OPV) aygıtları son zamanlarda uygulama yenilenebilir enerji kaynaklarının dikkate değer gelişmeler uğramıştır. Organik Kuru cihazlar dahil çözüm işlemini uyumluluk, düşük maliyetli, hafif ağırlık, esneklik, vb1,2,3,4,5 şu ana kadar pek çok avantajı var, Polimer güneş hücreleri (PSC) fazla % 10 PCE ile PC71BM6ile harmanlanmış konjüge polimerler kullanarak geliştirilmiştir. OPVs iyi tanımlanmış kimyasal yapıları, facile sentezi ve arıtma, dahil olmak üzere, birkaç farklı avantajlar nedeniyle imalatı için geldiğinde polimer esaslı PSC'ler için karşılaştırıldığında, küçük molekül tabanlı OPVs (SM-OPVs) daha fazla ilgisini çekti var ve genellikle daha yüksek açık devre gerilimi (Voc)7,8,9. Şu anda, bir 2-B yapı Birleşik küçük molekül SMPV1 (2,6-Bis[2,5-bis(3-octylrhodanine)-(3,3-dioctyl-2,2':5,2''-terthiophene)]-4,8-bis((5-ethylhexyl)thiophen-2-yl)benzo[1,2-b:4,5-b']dithiophene) BDT-T ile (benzo [1,2-b:4, 5-b'] dithiophene) ile PC71BM umut verici sürdürülebilir OPVs uygulama için tasarlanmış ve kullanılan karışım olarak çekirdek birimi ve 3-octylrodanine elektron çekilmesi sonu-grup10 olarak olmuştur. Geleneksel küçük molekül güneş hücreleri (SM-OPVs) PC71ile BM harmanlanmış SMPV1 temel PCE %8.010,11daha ulaştı.

Geçmişte, PSC'ler artırılmış ve etkin katman kalınlığı ayarlayarak en iyi duruma getirilmiş. Ancak, PSC'ler, SM-OPVs genel olarak büyük ölçüde etkin katman kalınlığı sınırlar daha kısa Difüzyon uzunluğa sahip. Bu nedenle, kısa akım yoğunluğu (Jsc) SM-OPVs daha da artırmak için nano-yapısı12 veya NRs9 SM-OPVs optik emilimini artırmak için kullanmak gerekli oldu.

Bu yöntemler arasında anti-refle NRs yapısı genellikle hafif aktif tabakası dalga boylarında geniş bir aralığında hasat için etkilidir; Bu nedenle, nasıl iyi hizalanmış dikey olarak yönlendirilmiş çinko oksit (ZnO) NRs büyümeye bilmek çok önemlidir. Tohum katman ZnO NRs katmanın altında yüzey pürüzlülüğü NR diziler yönünü büyük bir etkisi vardır; Bu nedenle, iyi yönlendirmeli NRs mevduat için tohum katman kristalleşme tam kontrollü9olması gerekir.

Bu çalışmada, AZO filmleri theRadio tekniği SAÇTIRMA frekanslı tarafından (RF) hazırlanır. Diğer teknikleri ile karşılaştırıldığında, RF SAÇTIRMA devredilemez sektörüne bunun için verimli bir teknoloji büyümek için yüksek saflıkta, düzgün, pürüzsüz ve kendi kendine sürdürülebilir AZO ince filmler sentezini sağlayan bir güvenilir ifade tekniktir olduğu bilinmektedir geniş bir alan yüzeyler üzerinde. SAÇTIRMA biriktirme RF kullanan yüksek kristalizasyon düşük yüzey pürüzlülüğü ile sergi yüksek kaliteli AZO filmlerin şekillendirme sağlar. Bu nedenle, sonraki büyüme katmanda NRs yönelimleri son derece uyumlu, daha çok zaman sol-jel yöntemiyle hazırlanan ZnO filmleri karşılaştırılır. Bu tekniği kullanarak, PCE iyi hizalanmış dikey olarak yönlendirilmiş ZnO NR diziler üzerinde dayalı ters küçük molekül güneş hücrelerinin %6,01 ulaşabilirsiniz.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Protokol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. büyüme Ito substrat katmanda AZO sputter tohum

  1. 4 Anti-korozyon teyp adet (0,3 x 1,5 cm) bir kare (1.5 x 1.5 cm) oluşturmak üzere indiyum kalay oksit (ITO) substrat bir tarafında kal. ITO hidroklorik asit ITO açık alan etch 15 dakika içine koymak.
  2. Bandı çıkarın ve temiz bir sonicator kullanarak örnek; deiyonize (DI) su, aseton, etanol ve isopropanol 30 dk sırayla için solüsyon içeren temizleyicide. Sıkıştırılmış azot silahla desenli ITO kuruttun.
  3. Temizlenmiş desenli ITO yüzeylerde substrat tutucu üzerine bant takmak ve sahibi sistem SAÇTIRMA RF Ana odanın içine yükleyin. 4 x 10-6 torr yolu ile mekanik ve Difüzyon pompa çevre saflık emin olmak için aşağıdaki odası basınç pompası.
  4. Saf argon gazı Ekle (akış hızı: 30 sccm) ana odaya ve kontrol odası 1 mtorr, basınç korumak için pompa içine.
  5. Yöntemi, bildirilen yöntemi13tarihinde göre SAÇTIRMA RF (13.56 MHz) kullanarak AZO tohum katmanları hazırlayın. Bir dairesel 2 içinde boyut AZO kullanın (2 wt % Al2O3 ZnO) seramik hedef onları önceden temizlenmiş ITO cam yüzeyler yatırmak için. 10 cm hedef substrat yaklaşma.
  6. 1 mtorr basınçta çalışma ve RF güç 40 W ifade sırasında korumak. Oda sıcaklığında yüzey sıcaklığı kontrol. Uygulanan DC önyargı ve birikim hızı 187 V ve 4 nm/dk sırasıyla AZO ince film yatırmak için ayarla. AZO tohum katman kalınlığı 40, kontrol edilebilir nm dayalı kuvars kristal kalınlığı monitörde.
  7. 30 ° C odasında aşağı örnek soğur sonra pompa kapatmak ve odası açana kadar azot gazı Ana odanın içine yerleştirin. Örnek substrat sahibinden kaldırın.

2. Sol-jel oluşumunu Ito substrat katmanda ZnO tohum işleme

  1. ZnO tohum katman desenli ITO yüzey kaplama yöntemi14sol-jel spin tarafından Kasası. Çinko asetat dihydrate, 2-methoxethanol ve monoethanolamine (MEA) başlangıç malzemeleri, solvent ve sabitleyici sırasıyla kullanılır.
    1. Çinko asetat dihydrate (4.39 g) 2-methoxethanol (40 mL) ve çinko asetat konsantrasyonu 0.5 m elde etmek için MEA (1.22 g) karışımı geçiyoruz.
    2. 60 ° c 2 h için elde edilen karışımı ilave edin. Sol açık ve şeffaf homojen çözüm oluşturmak 12 h oturmak izin.
    3. ZnO tohum katman üzerine temizlenmiş ITO desenli cam yüzeylerde spin kaplama yöntemi kullanarak mevduat. 0.1 mL sol-jel çözüm substrat üzerine ekleyin ve 30 için 3000 rpm'de döndürmek bir spin coater kullanarak s.
    4. Kaplama spin sonra filmin solvent buharlaşır ve organik artıkları kaldırmak izin vermek için sıcak tabakta 30 dk için 200 ° C'de kuru. ZnO tohum katman kalınlığı yaklaşık 40 nm14olmalıdır.

3. büyüme ZnO NR dizinin bir tohum katmandaki

  1. Hidrotermal yöntemi kullanarak ZnO NR dizi büyümek.
    1. Mix 1.49 g çinko nitrat hekzahidrat (Zn (NO3)2·6H2O) ve 0.7 g hexamethylenetetramine (HMT) (C6H12N4) 100 mL DI suda. Elde edilen karışım, oda sıcaklığında 30 dakika karıştırın.
    2. ZnO sol-jel örnekleri ile AZO sputter tohum tabakasının ITO yan bant kullanarak kapak cam takmak. Bir 50 mL örnekleri koymak polipropilen konik tüp O ve HMT Zn (NO3)2·6H250 mL solüsyon ile dolu.
    3. Büyüme sırasında polipropilen konik tüp yatay bir laboratuvar fırında aşağı doğru bakan kaplı spin örnekleri ile laying o ısı ve sıcaklık 90 dk 90 ° C'de muhafaza.
    4. Büyüme dönemi sonundaki yüzeylerde çözümden kaldırmak ve hemen örnek yüzey DI su ve kalan tuz yüzeyden kaldırmak için her 1 dk. için sırayla (içinde iki yıkama şişe) etanol ile durulayın. Sıkıştırılmış azot silah kullanarak örnek kurut ve 10 min için 250 ° c sıcak tabakta fırında.

4. imalat ve ölçüm ters küçük molekül güneş hücreleri

  1. ITO substrat üzerine torpidoda bir spin coater ZnO NR dizi ile yükleyin. Toluen 15 mg SMPV1 ve PC71BM. Ekle 11,25 mg içeren 1 mL 0.1 mL solüsyon mix, 40 için 2.000 devirde örnek spin bir spin coater kullanarak s ve 2 min için 60 ° C'de tavlamak.
  2. Tavlama işleminden sonra substrat termal buharlaşma sisteminde yerleştirin. 4 x 10-2 torr sonra geçiş için bir turbo basınç ulaşıncaya kadar başlangıçta bir mekanik pompa kullanarak vakum odası pompa ortam basıncı < 4 x 10-6 torr yapmak.
  3. Mevduat MoO3 katman 0.1 nm/s MoO3 toz rezistif molibden tekneyle 1.0 oranında Z ve bir giriş akımı 105 ile Isıtma tarafından ifade oranında A. mevduat Ag Isıtma gümüş külçe rezistif t tarafından ifade 0.5 nm/s hızında katman ungsten tekne 0.529 oranını Z ve 190 A. bir giriş akımı Sistem bir kuvars kristali buharlaşma hızı monitörü buharlaşma işlemini denetlemek için içermelidir. MoO3 ve Ag katman kalınlığı 5 ve 150 nm, sırasıyla kuvars kristal kalınlığı monitörde dayalı olmak için kontrol edilmelidir.
  4. 30 ° C odasında aşağı örnek soğur sonra pompa kapatmak ve odası açana kadar azot gazı odanın içine yerleştirin. Örnek substrat sahibinden kaldırmak ve örnek torpidoyu yükleyin.
  5. Güneş simülatörü sistemi açın ve sistem ışık kaynağı istikrarlı 20 dk bekleyin. Örneği bir hava kütlesi 1.5 küresel (AM 1.5G) kullanarak bir güneş simülatörü 100 mW/cm2 ' aydınlatmak filtre. Aynı anda, belgili tanımlık çözümlemek -1 V aygıttan + akım yoğunluğu-gerilim (J-V) eğrisi14,15elde etmek için 1 V için tarama için kullanın.

5. karakterizasyonu teknikleri

  1. X-ışını kırınım ölçüm16 AZO sputter tohum katman ve ZnO sol-jel işleme tohum katman üzerinde ZnO NRs yapılarının çalışmaya Cu Kα kaynak ile gerçekleştirin. İnceden inceye gözden geçirmek hız 1 ° / dk olmalı ve tarama aralığı 10-90 ° (2θ) olmalıdır.
  2. Yüzey morfolojisi ve örneklerin kesitsel görüntü alan elektron mikroskobu17 10, işletme gerilimi ayarlayarak tarama emisyon tarafından karakterize kV.
  3. Mikro photoluminescence (PL) spectra tüm 325 nm o-Cd CW lazer kullanarak örnekleri edinmek (20 mW) 2400 backscattering Geometride oluklar/mm ızgara ile uyarma kaynağı olarak. AllPL ölçümler18 oda sıcaklığında yapılmalıdır.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Sonuçlar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Cihazların katmanlı yapısı bir ITO substrat/AZO oluşuyordu (40 nm) / ZnO NRs katman, SMPV1:PC71BM (80 nm) /3 MoO (5 nm) /Ag (150 nm) şekil 1' de gösterildiği gibi. Genel olarak, AZO veya ZnO tohum katman PSC'ler cihazlarda elektron Taşıma Katmanı (ETL) olarak işlev için yaygın olarak kullanılır. PSC dışında SM-OPVs genellikle daha kısa Difüzyon uzunluğu8ile sınırlı bir daha kısa etkin katman var. Bu nedenle, daha ...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Tartışma

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

NRs interlayer kullanarak, Jsc ve FF cihazlar geliştirilebilir. Ancak, NRs yüzey pürüzlülüğü sonraki süreçleri de etkileyecektir. Böylece, yönlendirmesini ve NRs yüzey morfolojisi dikkatle manipüle edilebilir. TiO2 ve ZnO PSC'ler içinde onların basit işlemleri nedeniyle yaygın olarak kullanılan gibi uzun bir süre için sol-jel ETL işlem. Ancak, sol-jel işleme katmanları kristalleşme genellikle amorf türüdür ve katmanları yüzey morfolojisi vakaların çoğunda kötüymüş. Bu nedenle, bu çalışmada, tam olar...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Açıklamalar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Yazarlar onlar rakip hiçbir mali çıkarları var bildirin.

Teşekkürler

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Yazarlar Ulusal Bilim Konseyi Çin Sözleşme No altında Bu araştırmanın maddi destek için teşekkür etmek istiyorum ÇOĞU 106-2221-E-239-035 ve çoğu 106-2119-M-033-00.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
AZO hedefiUltimate Materials Technology Co., Ltd.yokAZO (ZnO'da ağırlıkça %2 Al2O3), 3" ψ x 3mmt
+ 3mmt Cu B/P + Yapıştırma
SMPV1Lüminesans Teknolojisi A.Ş.1651168-29-42,6-Bis[2,5-bis (3-oktilrodanin) - (3,3-dioktil-2,2 ': 5,2 ''-tertiofen)]-4,8-bis ((5-etilheksil) tiyofen-2-il) benzo [1,2-b: 4,5-b '] ditiofen
RF püskürtme sistemiKao Duen Technology Co., Ltdhiçbirihttp://www.kaoduen.com.tw/index.php?action=product
Çinko Asetat DihidratJT Baker59704564.39 g
MonoetanolaminJ. T. Baker1414351,22 g
2-metoksietanolSigma-Aldrich10986440 mL
Çinko Nitrat HekzahidratJ. T. Baker101961861,49 g
HekzametilentetraminSigma-Aldrich100-97-00,7 g
İndiyum kalay oksit (ITO)RiTdisplayhiçbirikaplamalı cam alt tabaka (< 10 & omega; sq– 1)
AFMVeecoInnova SPM
SEMFEINova 200 NanoSEMçalışma voltajı: 10 kV
XRDBrukerD8 X-ışını difraktometresi2 & theta; aralık: 10 & ndash; 90 >; Adım boyutu: 0.008 & derece;
PLHoribaJobin-Yvon HR800uyarma kaynağı: 325 nm UV Lazer 20 mW
güneş simülatörüNewport91192A1.5G
Hassas Yarı İletken Parametre AnalizörüKeysight TechnologiesAgilent 4156C-1 ila +1 V
toluenSigma-Aldrich108-88-31 mL
PC71BMSigma-Aldrich609771-63-311.25 mg
Termal buharlaşma sistemiKao Duen Technology Co., LtdKao Duen PVD Sistemihttp://www.kaoduen.com.tw/index.php?action=product
HClSigma-Aldrich7647-01-0
MoO3Alfa Aesar1313-27-5%99,50
gümüş külçeADMAT Inc.yok100.00
% İnce Film Biriktirme Kontrol CihazıINFICONXTC
korozyon önleyici bant (Poliimid Film)3M Tayvan Şirketiyokhttp://solutions.3m.com.tw/wps/portal/3M/zh_TW/InsulatingTape/home/product/Polyimide/
spin-kaplayıcıChemat Technology, IncKW-4Ahttp://www.chemat.com/chematscientific/KW-4A.aspx
arasında süpürme

Kaynaklar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Dou, L., et al. Tandem polymer solar cells featuring a spectrally matched low-bandgap polymer. Nat. Photonics. 6 (3), 180-185 (2012).
  2. You, J., et al. Metal Oxide Nanoparticles as an Electron-Transport Layer in High Performance and Stable Inverted Polymer Solar Cells. Adv. Mater. 24 (38), 5267-5272 (2012).
  3. Dou, L., et al. Systematic Investigation of Benzodithiophene- and Diketopyrrolopyrrole-Based Low-Bandgap Polymers Designed for Single Junction and Tandem Polymer Solar Cells. J. Am. Chem. Soc. 134 (24), 10071-10079 (2012).
  4. Li, G., Zhu, R., Yang, Y. Polymer solar cells. Nat. Photonics. 6 (3), 153-161 (2012).
  5. You, J., et al. A polymer tandem solar cell with 10.6% power conversion efficiency. Nat. Commun. 4, 1446(2013).
  6. Chen, J. D., et al. Single-Junction Polymer Solar Cells Exceeding 10% Power Conversion Efficiency. Adv. Mater. 27 (6), 1035-1041 (2015).
  7. Zhang, H., et al. Developing high-performance small molecule organic solar cells via a large planar structure and an electron-withdrawing central unit. Chem. Commun. 53, 451-454 (2017).
  8. Zhou, H., et al. Conductive Conjugated Polyelectrolyte as Hole-Transporting Layer for Organic Bulk Heterojunction Solar Cells. Adv. Mater. 26 (5), 780-785 (2014).
  9. Lin, M. Y., et al. Enhance the light-harvesting capability of the ITO-free inverted small molecule solar cell by ZnO nanorods. Opt. Express. 24 (16), 17910-17915 (2016).
  10. Liu, Y., et al. Solution-processed small-molecule solar cells: breaking the 10% power conversion efficiency. Sci. Rep. 3, 3356(2013).
  11. Farahat, M. E., et al. Toward environmentally compatible molecular solar cells processed from halogen-free solvents. J. Mater. Chem. A Mater. Energy Sustain. 4 (19), 7341-7351 (2016).
  12. Lin, M. Y., et al. Plasmonic ITO-free polymer solar cell. Opt. Express. 22 (S2), A438-A445 (2014).
  13. Donato, A., et al. RF sputtered ZnO-ITO films for high temperature CO sensors. Thin Solid Films. 517 (22), 6184-6187 (2009).
  14. Lin, M. Y., et al. Sol-gel processed CuOx thin film as an anode interlayer for inverted polymer solar cells. Org. Electron. 11 (11), 1828-1834 (2010).
  15. Vandewal, K., et al. On the origin of the open-circuit voltage of polymer-fullerene solar cells. Nat. Mater. 8, 904-909 (2009).
  16. Sharma, R., et al. X-ray diffraction: a powerful method of characterizing nanomaterials. Recent Research in Science and Technology. 4 (8), 77-79 (2012).
  17. Huggett, J. M., Shaw, H. F. Field emission scanning electron microscopy a high-resolution technique for the study of clay minerals in sediments. Clay Miner. 32, 197-203 (1997).
  18. Lou, S., et al. Laser beam homogenizing system design for photoluminescence. Appl. Opt. 53 (21), 4637-4644 (2014).
  19. Huang, J. S., Lin, C. F. Influences of ZnO sol-gel thin film characteristics on ZnO nanowire arrays prepared at low temperature using all solution-based processing. J. Appl. Phys. 103, 014304(2008).
  20. Leung, S. F., et al. Light Management with Nanostructures for Optoelectronic Devices. J. Phys. Chem. Lett. 5, 1479-1495 (2014).
  21. Lee, C. Y., et al. White-light electroluminescence from ZnO nanorods/polyfluorene by solution-based growth. Nanotechology. 20 (42), (2009).

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Yeniden basım ve izinler

Bu JoVE makalesinin metnini veya şekillerini yeniden kullanmak için izin iste

İzin iste

Etiketler

Ters G ne PilleriAl katk l ZnO Tohum TabakasSputter ile Kaplanm AZO nce FilmSol jel lemli AZODikey Nanodot HizalanmasX n K r n m AnaliziAtomik Kuvvet MikroskobuG D n m Verimlili i

İlgili makaleler