الطريقة المحيطة لإنتاج وIonically عن طريق بوابة الأنابيب الجزيئية الكربونية القطب السالب المشترك جنبا الى جنب في خلايا الشمسية العضوية

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

أشباه الموصلات البوليمر هي الرائدة الضوئية العضوية (OPV) المواد بسبب الامتصاصية العالية، وخصائص نقل جيدة، والمرونة، والتوافق مع ركائز الحساسة درجة الحرارة. جهاز OPV كفاءة تحويل الطاقة، η، وقفزت بشكل كبير في السنوات الماضية، مع واحدة من الكفاءة خلية عالية مثل 9.1٪ ^1، مما يجعلها تكنولوجيا الطاقة القابلة للحياة على نحو متزايد.

على الرغم من التحسينات في η، وأفضل سمك الطبقة النشطة رقيقة من الأجهزة تحد من امتصاص الضوء وتعيق تصنيع موثوقة. بالإضافة إلى ذلك، فإن العرض الطيفي للامتصاص الضوء من كل البوليمر ومحدودة بالمقارنة مع المواد غير العضوية. البوليمرات المزاوجة بين اختلاف الحساسية الطيفية تجاهلت هذه الصعوبات، مما يجعل أبنية جنبا إلى جنب ² على الابتكار ضروريا.

أجهزة سلسلة جنبا إلى جنب هي العمارة جنبا إلى جنب الأكثر شيوعا. في هذا التصميم، والعتاد نقل الإلكترونالقاعدة وهو طبقة إعادة التركيب المعدني اختيارية، وطبقة النقل حفرة ربط طبقتين متفاعل للضوء مستقلة تسمى خلايا فرعية. ربط خلايا فرعية في تكوين سلسلة يزيد من الجهد الدائرة المفتوحة من الجهاز الجمع. وكان بعض الجماعات النجاح مع طبقات النقل مخدر degenerately ^{5 - 3،} ولكن قد استخدمت أكثر من مجموعات جزيئات الذهب أو الفضة لمساعدة إعادة التركيب من الثقوب والالكترونات في البينية ^6،7.

في المقابل، المقعدين موازية تتطلب عالية التوصيل الكهربائي، إما الأنود أو القطب السالب، والانضمام إلى طبقتين النشطة. يجب أن يكون بين طبقات شفافة للغاية، الأمر الذي يحد من سلسلة interlayers جنبا إلى جنب تحتوي على جزيئات معدنية، وأكثر من ذلك لinterlayers جنبا إلى جنب موازية مؤلفة من رقيقة، وأقطاب معدنية مستمرة. تظهر أنابيب الكربون النانوية (CNT) ورقة شفافية أعلى من طبقات معدنية. لذا معهد تكنولوجيا النانو، بالتعاون مع جامعة شيمان، لديها كثافة العملياتالعمليات roduced مفهوم استخدام مثل القطب البينية في متجانسة والأجهزة جنبا إلى جنب موازية ^8.

وتضمنت الجهود السابقة متجانسة، موازية، والأجهزة جنبا إلى جنب مع أوراق OPV CNT تعمل كما الأنودات البينية ^8،9. هذه الأساليب تتطلب رعاية خاصة لتجنب التقليل من احد أو كلا خلايا أو طبقات السابقة الضارة عند إيداع طبقات لاحقة. طريقة جديدة وصفها في هذه الورقة يخفف تلفيق عن طريق وضع القطب CNT على رأس الطبقات النشطة البوليمرية من خليتين واحدة، ثم الترقق اثنين من أجهزة منفصلة معا كما هو مبين في الشكل (1). وهذه الطريقة لافت للنظر فيه الجهاز، بما في ذلك الهواء -stable CNT الكاثود، يمكن أن تكون ملفقة تماما في الظروف المحيطة التي تستخدم فقط معالجة الجفاف والحل.

أوراق CNT ليست جيدة اقطاب في جوهرها، لأنها تتطلب من نوع ن المنشطات للتقليل من وظيفة العمل من أجل جمع الإلكترونات من المنطقة متفاعل للضوءمن الخلايا الشمسية ^10. طبقة مزدوجة الكهربائية شحن في المنحل بالكهرباء، مثل السوائل الأيونية، ويمكن استخدامها لتحويل وظيفة عمل CNT أقطاب ^11-14.

كما هو موضح في ورقة السابقة ¹⁵ ومبين في الشكل 2، عندما الجهد البوابة _(بوابة V) هو الزيادات، وانخفاض وظيفة عمل من القطب المشترك CNT، وخلق التماثل الكهربائي. هذا يمنع جمع حفرة من الجهات المانحة لقاح شلل الأطفال الفموي لصالح جمع الإلكترونات من متقبل لقاح شلل الأطفال الفموي ل، وأجهزة تشغيل، وتغيير فعال في مقاومة ضوئية من الثنائي الضوئي ¹⁵ السلوك. كما تجدر الإشارة إلى أن الطاقة المستخدمة لشحن الجهاز وقوة فقدت بسبب تسرب التيارات البوابة وتافهة بالمقارنة مع الطاقة المولدة من الخلايا الشمسية ^15. النابضة الأيونية من الأقطاب الكهربائية CNT له تأثير كبير على وظيفة العمل بسبب كثافة منخفضة من الدول وارتفاعمساحة السطح إلى نسبة الحجم في أقطاب المجلس الوطني الانتقالي. وقد استخدمت أساليب مماثلة لتعزيز حاجز شوتكي في واجهة CNT مع N-سي ^16.

Protocol

1. إنديوم أكسيد القصدير (ايتو) الزخرفة والتنظيف

ملاحظة: استخدام 15Ω / □ ايتو الزجاج، وشراء أو قطع زجاج ايتو إلى أحجام مناسبة لطلاء تدور وضوئيه. هو الأكثر كفاءة لتنفيذ الخطوات 1،1-1،7 على قطعة من الزجاج كبيرة بقدر الإمكان، ثم تنخفض في الأجهزة الأصغر حجما. نلاحظ أيضا أن الخطوات 1،1-1،7 تتطلب زجاج ايتو ليكون موجها مع ايتو جانب ما يصل. هذا يمكن التحقق بسهولة مع وضع المقاومة المتعدد ل.

1. معطف تدور 1 مل من S1813 مقاوم الضوء الإيجابي على جانب ايتو لايتو الزجاج بمعدل 3000 دورة في الدقيقة لمدة 1 دقيقة. استخدام أكثر مقاومة لأكبر قطعة من الزجاج، تأكد من الزجاج المطلي بالكامل، وإزالة أي فقاعات قبل بدء المغطي تدور.
2. يصلب مقاومة الزجاج المطلي، على طبق ساخن، في 115 درجة مئوية لمدة 1 دقيقة.
3. تحميل العينة والضوئية على اليجنر الاتصال.
4. فضح مقاومة للضوء المغلفة ايتو الزجاج لAPPROالوقت priate. الوقت تعرض حوالي 10 ثانية، ولكن هذه المرة تختلف استنادا إلى كثافة الأشعة فوق البنفسجية مصباح، نوع مقاوم الضوء، وسمك.
5. تطوير ركائز المعرضة للأشعة فوق البنفسجية في MF311 المطور. عملية مؤتمتة أما المعالج تدور لتنتج أفضل وأكثر تكرار النتائج، ولكن يمكن أن يتم تطوير يدويا كما اتباعها.
   1. غمر ركائز المعرضة للأشعة فوق البنفسجية لمدة 1 دقيقة في مطور، تليها الشطف في منزوع الأيونات (DI) المياه وتجفيف بمسدس النيتروجين. لأن المطور يفقد قوته بسرعة، تحل محل المطور بين العينات، أو بدلا من زيادة الوقت اللازم لتطوير إعادة استخدام عندما المطور.
6. حفر ركائز ايتو في حمض الهيدروكلوريك المركز (حمض الهيدروكلوريك). هذا يستغرق ما بين 5-10 دقيقة اعتمادا على تركيز حمض الهيدروكلوريك. شطف في الماء DI، الجاف، واختبار المقاومة من أجزاء محفورا مع المتعدد. إذا بقي أي الموصلية، حفر لفترة أطول.
7. بمجرد اكتمال الحفر، وإزالة صhotoresist مع الأسيتون. نلاحظ أن إزالة الفورية للمقاومة للضوء يمنع حمض الهيدروكلوريك المتبقي من الإفراط في الحفر على نمط ايتو.
8. ، وقطع إذا لزم الأمر محفورا على ركائز الزجاج ايتو إلى أحجام الجهاز.
9. تنظيف ركائز ايتو في ultrasonicator حمام في سلسلة من المذيبات - مياه DI، الأسيتون، التولوين، الميثانول، وأخيرا ايزوبروبيل.

2. OPV خلية الفرعية التصنيع

1. إعداد P3HT: PC ₆₁ BM الحل.
   ملاحظة: للحصول على نتائج أكثر اتساقا، وإعداد الحلول في بيئة النيتروجين. ومن الممكن أن يتبع هذا الإجراء في الظروف المحيطة.
   1. البحث وكتابة كتلة من اثنين نظيفة، ~ 4 مل قارورة زجاج وقبعاتهم، ووضع علامة عليها مع علامة دائمة لتمييزها عن آخر.
   2. في النيتروجين أو الأرجون علبة القفازات، ونقل ما يقرب من 10 ملغ من بولي (3-hexylthiophene-2،5-diyl) (P3HT) لقنينة واحدة وحوالي 10 ملغ من فينيل-C ₆₁ حمض -butyric استر الميثيل (PC ₆₁ BM) إلى أخرى.
   3. وزن قنينات مرة أخرى للعثور على كتلة P3HT والكمبيوتر ₆₁ BM.
   4. نقل قوارير مع P3HT والكمبيوتر ₆₁ BM إلى صندوق قفازات لبقية عملية صنع الحل.
   5. إضافة شريط مغناطيسي في كل قارورة ثم إضافة ما يكفي من الكلوروبنزن لكل لخلق 45 ملغ / مل الحلول.
   6. وضع حلول المغناطيسية على طبق ساخن اثارة عند 55 درجة مئوية لمدة 2 ساعة تقريبا أو حتى يذوب تماما والمواد المذابة.
   7. خلط كميات متساوية من P3HT والكمبيوتر ₆₁ BM الحلول معا، والسماح للضجة حل مختلطة لمدة ساعة أخرى قبل استخدامها.
2. إعداد PTB7: PC ₇₁ BM الحل.
   1. كرر الخطوات من 2.1.1 إلى 2.1.4 مع 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}) (PTB7) وفينيل-7،1-زبدي استر الميثيل حمض (PC ₇₁ BM) بدلا من P3HT والكمبيوتر₆₁ BM.
   2. جعل مزيج من 3٪ من حيث الحجم 1،8-diiodooctane (DIO) في الكلوروبنزن. ويسمى هذا المزيج DIO-CB.
   3. إضافة شريط مغناطيسي في كل قارورة ثم إضافة ما يكفي من DIO-CB الى القارورة PTB7 أن يكون 12 ملغ / مل حل ويكفي DIO-CB إلى BM ₇₁ قارورة الكمبيوتر لديك 40 ملغ / مل حل.
   4. تسمح هذه الحلول تثير على طبق ساخن عند 70 درجة مئوية لمدة يومين.
   5. مزيج من الحلول في نسبة وزن PTB7 إلى جهاز الكمبيوتر ₇₁ BM بين 1 و 1.5
   6. السماح للضجة حل مختلطة لمدة ساعة أخرى عند 70 درجة مئوية قبل استخدامها.
3. فلتر بولي (3،4-ethylenedioxythiophene): بولي (styrenesulfonate) (PEDOT: PSS) من خلال 0.45 ميكرون المسام مرشح حجم النايلون. ملاحظة يستخدم هذا الإجراء P نائب الرئيس AI4083.
4. تدور معطف الطبقات النشطة.
   1. وضع ركائز ايتو تنظيفها، ايتو من جانب يصل، الى نظافة الأوزون للأشعة فوق البنفسجية لمدة 5 دقائق.
   2. تدور معطف 120 ميكرولتر من تصفيتها PEDOT: PSS على الأوزون الأشعة فوق البنفسجية المعالجة، ونمط ITO- الركيزة الزجاجS في 3000 دورة في الدقيقة لمدة 1 دقيقة. وهذا ينبغي أن تسفر عن 30 نانومتر طبقة سميكة.
   3. يصلب PEDOT: PSS ايتو ركائز المغلفة لمدة 5 دقائق على حرارة 180 درجة مئوية.
   4. تدور معطف 70 ميكرولتر من P3HT المختلطة: PC ₆₁ BM حل على PEDOT: PSS المغلفة ايتو ركائز في حوالي 1000 دورة في الدقيقة لمدة 1 دقيقة. تختلف نسبة حسب الحاجة إلى إيداع 200 نانومتر طبقة سميكة النشطة.
   5. يصلب P3HT: ركائز PC ₆₁ BM المغلفة على 170 درجة مئوية لمدة 5 دقائق. قد تختلف النتائج على درجة الحرارة المثلى الصلب.
   6. تدور معطف 70 ميكرولتر من PTB7 مختلطة: PC ₇₁ BM حل على PEDOT: PSS المغلفة ايتو ركائز في حوالي 700 دورة في الدقيقة لمدة 1 دقيقة. تختلف نسبة حسب الحاجة إلى إيداع 100 نانومتر طبقة سميكة النشطة.
   7. تحميل PTB7: PC ₇₁ BM ركائز المغلفة في فراغ عالية (<2 × 10 ^-6 عربة) غرفة لإزالة DIO المتبقية. عادة، وترك العينات في غرفة O / N.

3. افتعال الجهاز جنبا الى جنب

1. أقطاب صفح CNT.
   1. قطع PTB7 وP3HT ركائز في نصف لجعل جهاز جنبا إلى جنب. ومن شأن نمط ايتو المتخصصة لا تتطلب هذه الخطوة. يجب أن يكون نمط ايتو اثنين على الأقل مواز ايتو أقطاب تمتد من الحافة إلى واحد ملم بعيدا عن الآخر.
   2. أولا إعداد PTB7 وP3HT المغلفة ركائز عن طريق محو بعيدا البوليمر وPEDOT من حواف الزجاج، وفضح الشريط ايتو والتي سيتم استخدامها في القطب المشترك كما رأينا في الحلقة الأولى من الشكل 1.
   3. صفح القطب المشترك CNT على رأس PTB7 وP3HT الأقطاب. تطبيق فيلم SWCNT عن طريق وضع الجانب CNT من ورقة الترشيح على الجهاز، والضغط بلطف، ثم تقشر ورقة الترشيح بعيدا. ويظهر هذا في لوحة ثانية من الشكل 1.
   4. Densify القطب CNT على السطح من خلال تطبيق ميثوكسي-nonafluorobutane (C ₄ F ₉ OCH ₃₎ (HFE) وطلاء CNT مع عمو صغيرالإقليم الشمالي من السائل ومن ثم السماح لها يجف حالا.
   5. يمسح البوليمر والمركز الوطني للاستشعار على رأس ايتو والزجاج الذي سوف يكون البوابة الكهربائي كما هو موضح في اللوحة الثالثة من الشكل 1. إزالة كافة البوليمر من الزجاج لمنع تسرب بوابة بشفرة حلاقة.
   6. صفح بوابة القطب CNT على تنظيف المنطقة من ركائز PTB7 وP3HT المغلفة. صفح MWCNT عن طريق سحب من على حافة الغابة MWCNT بشفرة حلاقة وترك ورقة تقف بحرية بين بعض الأنابيب الشعرية. يمر الجهاز من خلال صفحة قائمة بذاتها لصفح وCNT على الجهاز. وينبغي أن يكون القطب بوابة 2-3 أضعاف عدد طبقات كما هو منصوص على القطب المشترك.
   7. Densify القطب البوابة مع HFE.
2. وضع قطرة صغيرة (≈10 ميكرولتر) من السوائل الأيونية، N، N -methyl- -Diethyl- N N - (2-methoxyethyl) رباعي فلوروبورات الأمونيوم، DEME-BF _4، وعلى رأس كل واحد من أقطاب CNTمن ركائز.
3. وضع بعناية الركيزة دون السائل الأيونية على رأس الركيزة مع السائل الأيونية مع الأقطاب المشتركة وبوابة فوق بعضها البعض،. ويظهر هذا في لوحة الأخيرة من الشكل 1.
4. وضع الضوئية الرئيسية مع حجم فتحة أصغر من حجم الكهربائي على منطقة نشطة. استخدام مقاطع صغيرة لعقد الضوئية في المكان وكذلك لوضع الجهاز معا أثناء الاختبار.

4. قياس الأجهزة

1. نقل الجهاز إلى صندوق قفازات القياس.
2. جعل التوصيلات الكهربائية.
   1. توصيل التيار الكهربائي بوابة بين القطب المشترك والقطب البوابة مع نزلات كما الأرض.
   2. ربط اثنين الأنودات ايتو إلى الأسلاك التي ترتبط التحول الذي يتيح اختيار إما الأنود أو كليهما الأنودات.
   3. ربط مخرجات التحول إلى مساهمة وحدة قياس المصدر.
   4. توصيل الأرضي من الاتفاقات البيئية المتعددة الأطراف مصدرالوحدة لدى عودتهم إلى القطب المشترك.
3. رابعا قياس خصائص الجهاز عن طريق تكرار الخطوات التالية _لبوابة الصعود الخامس.
   1. وضع _بوابة V إلى القيمة المقبلة، بدءا من _بوابة V = 0 V _لبوابة V = 2 V بزيادات 0.25 V.
   2. الانتظار مدة 5 دقائق أو حتى استقرت البوابة الحالية. من الناحية المثالية، ينبغي أن البوابة الحالية يستقر حول 10S من nanoamperes.
   3. تعيين التبديل إلى كل خلايا فرعية.
   4. فتح مصراع مصباح.
   5. تشغيل اكتساح التيار الكهربائي عن وحدة قياس المصدر من فولت -1 إلى +1 فولت بحوالي 100 الزيادات أو أكثر.
   6. تشغيل اكتساح التيار الكهربائي من +1 إلى -1 فولت فولت.
   7. إغلاق مصراع الكاميرا مصباح.
   8. تشغيل الاحتلالات الجهد مرة أخرى.
   9. تعيين التبديل إلى الخلية الفرعية الأمامية.
   10. كرر الخطوات من 4.3.4 إلى 4.3.8.
   11. تعيين التبديل إلى خلية فرعية في الظهر.
   12. كرر الخطوات من 4.3.4 إلى 4.3.8.
4. حساب المعلمات الجهاز.
   1. العثور على ماس كهربائى الحالية (J _SC) من كل خلية فرعية في كل _باب الخامس من خلال إيجاد تيار ينتجها الجهاز عند الجهد عبر خلية فرعية هو 0 V.
   2. العثور على الجهد الدائرة المفتوحة (V _OC) من كل خلية فرعية في كل _باب الخامس من خلال إيجاد الجهد التي ينتجها الجهاز عند التيار من خلال خلية فرعية هو 0 أ.
   3. تجد أقصى انتاج الطاقة من الخلايا الشمسية بضرب كل قيمة الجهد مع كل القيمة الحالية واختيار القصوى (أكثر سلبية) قيمة. هذا على افتراض أن واحد يقيس ولدت صورة الحالي تيار سلبية.
   4. العثور على كفاءة تحويل الطاقة (η) بقسمة أقصى قدر من السلطة من قبل السلطة ضوء المدخلات.
   5. العثور على عامل التعبئة (FF) بقسمة الحد الأقصى للقوة من قبل المنتج من J _SC وV _OC.

النتائج

جهاز جنبا إلى جنب تشكلت من البوليمرات، وخاصة البوليمرات اختلاف كبير ثغرات الفرقة، واختلاف هو من مصلحة العملية حيث أن هذه الأجهزة يمكن أن تمتص أكبر مجموعة الطيفي للضوء. في هذا الهيكل الجهاز، الخلية الفرعية PTB7 هي الخلية ذهابا وP3HT هو خلية فرعية الأمامية. ويهدف هذا لاست?...

Discussion

النتائج تسلط الضوء على بعض الاعتبارات عند تصميم الخلايا الشمسية جنبا إلى جنب الموازي. خصوصا، إذا كان أحد الخلايا الفرعية والأداء الضعيف، والأداء جنبا إلى جنب في يتأثر سلبا. بينت النتائج أن هناك نوعان من الآثار الرئيسية. إذا قلل خلية فرعية واحدة، على سبيل المثال،

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
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
[header]
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	200 µl