对于一个以离子门控碳纳米管共阴极的串联有机太阳能电池的生产环境法

摘要

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.

摘要

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.

引言

聚合物半导体是领先的有机光伏（OPV）材料，由于高吸收率，良好的输送性，柔韧性，和兼容性与温度敏感的基材。 OPV器件的电源转换效率，η，有显著在过去几年里跳下来，单电池效率高达^9.1％1，使他们日益可行的能源技术。

尽管η改进，薄最佳的活性层厚度的设备的限制光的吸收，阻碍可靠的制造。此外，各聚合物的光吸收频谱宽度是有限相比，无机材料。不同的光谱感光度的配对聚合物绕过这些困难，使得串联结构²的必要的创新。

串联的串联装置是最常见的串联结构。在本设计中，电子传输相关材料人，一个可选的金属结合层，和空穴传输层连接两个独立的光敏层被称为子单元。在串联配置连接子细胞增加了组合装置的开路电压。一些基团已与简并掺杂输运层³成功^{- 5，}但更多组已使用的金或银颗粒以帮助空穴和电子的复合而在层间^6,7。

与此相反，平行串联物需要高导电性的电极，无论是阳极或阴极，连接两个有源层。间必须是高度透明的，这限制了含有金属颗粒系列串联隔层，并且更是由于薄的，连续的金属电极构成的平行串列夹层。碳纳米管（CNT）的片材显示出比金属层更高的透明度。因此，纳米技术研究所，与岛根大学合作，具有INTroduced使用如单片，平行汇接设备⁸的层间电极的概念。

以前的努力功能单一，平行，串联OPV与碳纳米管片材用作中间层的阳极^8,9的设备。这些方法需要特别的照顾，当沉积层后，以避免一个或两个细胞或损坏之前的层短路。在本文中描述的新方法，通过将所述CNT电极上的两个单电池的聚合物活性层的顶部简化制造，然后层叠在两个分离的设备一起，如图1中所示。此方法是显着的设备，包括一个空气-STABLE CNT阴极，可在环境条件下制造的完全只采用干和解决方案处理。

碳纳米管片材是不本质上良好的阴极，因为它们需要n型掺杂来降低功函数，以收集从光活性区中的电子一个太阳能电池^10。双电层中的电解质的充电，如离子性液体，可用于移动CNT的功函数的电极^{11 - 14。}

如在图2中，当栅电压（V _闸 ）是增大描述在前面的纸¹⁵和描绘的，该CNT公共电极的功函数被降低，造成电极的不对称性。这可以防止空穴收集从OPV的捐助有利于从OPV的受体收集电子和器件导通，从低效的光敏电阻转变为光电二极管¹⁵的行为。还应当指出的是，能用于装置和由于栅极漏电流损失的电力进行充电的琐碎相比由太阳能电池¹⁵产生的功率。的碳纳米管电极的离子门控对工作职能有很大的影响，由于国家的低密度和高表面积，以在CNT电极的体积比。类似的方法已被用于提高在碳纳米管与n型Si ¹⁶的界面的肖特基势垒。

研究方案

1.铟锡氧化物（ITO）的图案化和清洗

注:使用15Ω/□的ITO玻璃，以及购买或削减ITO玻璃为适合旋涂和光刻尺寸。它是最有效的执行步骤1.1-1.7上的一块玻璃尽可能大的，然后把它切成更小的设备。还注意的是，步骤1.1-1.7所需要的ITO玻璃被导向与ITO的一面朝上。这可以很容易地用万用表的电阻设置进行检查。

1. 旋涂将1ml S1813阳性光致抗蚀剂到ITO玻璃的ITO侧在1分钟的速率为3000转。使用更多的抵御较大的玻璃碎片，确保整个玻璃涂层，并开始旋转涂布机之前删除任何气泡。
2. 退火的抗蚀剂涂布的玻璃，在热板上，在115℃下1分钟。
3. 加载样品和掩模上的接触对准。
4. 揭露光刻胶涂布ITO玻璃的Appro公司priate时间。曝光时间大约是10秒，但改变该时间基于所述UV灯的强度，光致抗蚀剂的类型和厚度。
5. 开发UV暴露在基板MF311开发。自旋处理器的自动化过程中产生的最好的和最可重复的结果，但发展可以手工完成的遵循。
   1. 淹没的紫外线曝光的衬底为在显影剂1分钟，随后漂洗在去离子（DI）水中，并用氮气枪干燥。因为开发人员很快失去强度，更换样品之间的开发者，或者重复使用开发时交替增加开发时间。
6. 蚀刻在浓盐酸（HCl）在ITO基材上。这需要5-10分钟之间依赖于盐酸的浓度。冲洗的去离子水，干燥，并测试蚀刻部分的电阻率用万用表。如果任何导电性依然存在，蚀刻的时间较长。
7. 一旦蚀刻完成后，除去p-hotoresist用丙酮。注意，迅速清除该光致抗蚀剂可以防止残余的HCl从过蚀刻所述图案化的ITO。
8. 如果需要的话，切蚀刻ITO玻璃基板成设备的尺寸。
9. 干净的浴中超声发生器的ITO基材中溶剂的顺序 - 去离子水，丙酮，甲苯，甲醇，最后异丙醇。

2. OPV子细胞的制备

1. 准备P3HT:PC ₆₁ BM的解决方案。
   注:对于最一致的结果，在氮气环境中制备的溶液。因此能够按照此过程中的环境条件。
   1. 找到并记下了两个干净的，〜4个毫升的玻璃小瓶和他们的帽子的质量，并与记号笔标注从另一个区别开来。
   2. 在氮气或氩气的手套箱中，转移大约10毫克的聚（3-己基噻吩-2,5-二基）（P3HT）的一个小瓶中，大约10毫克的苯基-C ₆₁ -丁酸甲酯（P_Ç61 BM）到另一个。
   3. 再次称重小瓶找到P3HT与PC ₆₁ BM的质量。
   4. 传输与P3HT和PC ₆₁ BM小瓶到手套箱的解决方案制定过程的其余部分。
   5. 加入磁力搅拌棒放入每个小瓶中，然后够氯苯添加到每个创建45毫克/毫升的溶液。
   6. 放置在磁力搅拌下加热板的解决方案，在55℃下为约2小时或直到溶质已完全溶解。
   7. 混合的P3HT和个人电脑₆₁等体积的BM溶液一起，并让该混合溶液搅拌为在使用前1小时。
2. 准备PTB7:PC ₇₁ BM的解决方案。
   1. 重复步骤2.1.1至2.1.4与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）和苯基- 7,1 -丁酸甲酯（PC ₇₁ BM）代替P3HT和PC₆₁ BM。
   2. 使3％的混合物（体积）1,8- diiodooctane（DIO）的氯苯。这种混合物称为DIO-CB。
   3. 加入磁力搅拌棒放入每个小瓶中，然后加入足量的DIO-CB的PTB7小瓶有12毫克/毫升的溶液和足够的DIO-CB到PC ₇₁ BM小瓶有40毫克/毫升的溶液。
   4. 让这些溶液搅拌的加热板上，在70℃下搅拌2天。
   5. 混合溶液中PTB7的PC机₇₁ 1 BM〜1.5的重量比。
   6. 让使用在70℃下将混合溶液搅拌一小时之前。
3. 通过0.45μm孔径的尼龙过滤器过滤聚（3,4-亚乙二氧基）:聚（苯乙烯磺酸盐）（PSS的PEDOT）。注意:此过程使用P VP AI4083。
4. 旋转涂覆活性层。
   1. 置于清洁的ITO基板，ITO-朝上，变成紫外线臭氧清洁器5分钟。
   2. 旋涂层120微升过滤的PEDOT:PSS到紫外线臭氧处理，图案化的ITO-玻璃基板s的转数3000rpm，1分钟。这应该产生一个30纳米厚的层。
   3. 退火的PEDOT:PSS涂覆的ITO基材5分钟，在180℃下。
   4. 旋涂层70微升混合的P3HT:PC ₆₁ BM溶液涂布PEDOT:PSS涂覆的ITO基板在大约1,000rpm的转速1分钟。变化的速率根据需要以沉积200nm厚的有源层。
   5. 退火的P3HT:PC ₆₁ BM涂覆的基材在170℃下5分钟。结果可能会在最佳的退火温度而变化。
   6. 旋涂层70微升混合PTB7的:PC ₇₁ BM溶液涂布PEDOT:PSS涂覆的ITO基板在大约700rpm的转速1分钟。变化的速率根据需要以沉积100nm厚的有源层。
   7. 加载PTB7:PC ₇₁ BM涂覆的基材成高真空（<2×10 ^-6 Torr）的腔室，以除去残留的DIO。通常情况下，保留样品室O / N。

3.编造汇接设备

1. 层压CNT电极。
   1. 切PTB7和P3HT基板的一半，使串联设备。一个专门ITO图案并不需要这一步。在ITO图案应具有至少两个平行的ITO电极从一个边缘延伸到1毫米远离另一个。
   2. 首先通过从玻璃的边缘聚合物和PEDOT擦去制备PTB7和P3HT的涂覆的基材，和露出的ITO条如在图1的第一面板看到哪个将用作公共电极。
   3. 层叠的PTB7和P3HT电极上边所述CNT公共电极。通过将滤纸在CNT侧的设备上，轻轻按压，然后剥离该滤纸远离施加的SWCNT膜。这示于图1中的第二面板。
   4. 通过将甲氧基-九氟丁烷致密化的CNT电极上的表面（C _{4 F 9} OCH _{3）（HFE）}和通过涂布该CNT具有小amou液体新台币，然后让它干枯脱落。
   5. 擦去在ITO上的顶部和玻璃将具有栅电极， 如图1中的第三面板的聚合物和CNT，从玻璃中取出所有的聚合物，以防止用刀片栅极泄漏。
   6. 层叠在CNT栅电极上PTB7和P3HT涂覆的基材的清洁区域。通过从多壁碳纳米管林用刀片的边缘拉层叠的多壁碳纳米管，并让片立自如一些毛细管之间。通过独立片传递设备层叠在CNT上的设备。栅极电极应具有层的2-3倍的数量为铺设到共用电极。
   7. 压实与HFE栅电极。
2. 放置离子液体的一小滴（≈10微升），N，N- -Diethyl- N-甲基-N - （2-甲氧基乙基）铵四氟硼酸盐，DEME-BF _4，在一个两CNT电极的顶的底物。
3. 小心地放置在衬底上，而不具有离子液体上的每个-其他顶部共用电极和栅电极的基板的顶部的离子型液体。这示于图1中的最后一个面板。
4. 放置有孔径大小比在有源区域中的电极尺寸较小的光掩模。使用小片段以保持光掩模的地方，以及在测试过程中保持在一起的装置。

4.测量设备

1. 传送装置进入测量手套箱。
2. 进行电气连接。
   1. 连接的共用电极，并与共同作为接地的栅极电极之间的栅极供电。
   2. 连接两个ITO阳极到它们被连接到一个开关，它允许用户选择任一阳极或两者的阳极导线。
   3. 该开关的输出端连接到所述源测量单元的输入端。
   4. 连接源MEAS的理由茜单元对共用电极。
3. 通过反复的升V _闸以下步骤测量设备的IV特性。
   1. 设V _闸下一个值，从V _闸 0.25 V.增量开始= 0 V至V _闸 = 2 V
   2. 等待5分钟，或直至栅极电流是稳定的。理想的情况下，栅极电流应稳定在毫微安的10秒。
   3. 将开关设置到两个子细胞中。
   4. 打开电灯快门。
   5. 运行电压扫描的源测量单元从-1伏到1伏在约100增量或更多。
   6. 运行1伏电压扫描到-1伏。
   7. 关闭灯快门。
   8. 再次运行电压扫描。
   9. 将开关设置到前面的子细胞。
   10. 重复步骤4.3.4至4.3.8。
   11. 将开关设置到后面的子细胞。
   12. 重复步骤4.3.4至4.3.8。
4. 计算装置的参数。
   1. 发现每个子小区在每个V _栅的短路电流（J _SC），通过确定当前由该装置时产生跨过子小区的电压为0V。
   2. 发现每个子小区在每个V _闸的开路电压（V _OC），通过找到由该装置所产生的电压，当电流通过子小区是0A。
   3. 发现从太阳能电池的输出最大功率乘以各电压值与各电流值，选择最大（最负）值。这假定1测量光生电流作为负电流。
   4. 发现功率转换效率（η）除以最大功率由输入光功率。
   5. 找到的填充因子（FF）除以最大功率地被J _SC和V _OC的乘积。

结果

从不同的聚合物，显著不同的带隙特别是聚合物，形成串联设备的实际利益，因为这些设备可以吸收光线的最大的光谱范围。在此器件结构中，PTB7子小区是背面细胞和P3HT是前面的子小区。这是为了吸收的光的量最大为P3HT子小区在很大程度上是透明的，由PTB7子细胞吸收的波长更长的光。为清楚起见，太阳能电池的参数，V _{OC，J SC，FF}和η指的是串联，前面或分别回单元时将被装饰的标^T?...

讨论

设计并行串联太阳能电池时，研究结果强调了几个方面的考虑。值得注意的是，如果该子单元的一个表现不佳，在串联的性能产生负面影响。结果表明，存在两个主要的效果。如果一个子单元被短路， 例如 ，示出的欧姆特性，在FF ^T将不会比坏子小区的FF更高。 Ĵ ^牛逼 _SC和^V _T，OC将受到类似的影响。是这种情况时，V _闸低，P3HT子小区还没有?...

材料

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