Metodo ambiente per la produzione di un ionicamente Gated Nanotubi di carbonio catodo comune in celle solari tandem Organic

Riepilogo

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.

Introduzione

Semiconduttori polimerici sono i principali fotovoltaico organico (OPV) materiali a causa di elevato assorbimento, buone proprietà di trasporto, flessibilità e compatibilità con i substrati sensibili alla temperatura. Dispositivi OPV efficienza di conversione di potenza, η, hanno saltato in modo significativo negli ultimi anni, con l'efficienza delle celle singole più in alto del 9,1% ^1, che li rende una tecnologia energetica sempre più valida.

Nonostante i miglioramenti nella η, i sottili spessori ottimali attivi dei dispositivi limitano l'assorbimento della luce e impediscono la fabbricazione affidabile. Inoltre, la larghezza spettrale di assorbimento della luce di ciascun polimero è limitato rispetto ai materiali inorganici. Abbinamento polimeri di diversa sensibilità spettrale scavalca queste difficoltà, rendendo architetture tandem ² una innovazione necessaria.

Dispositivi tandem della serie sono l'architettura più comune tandem. In questo disegno, un materiale di trasporto degli elettronial, uno strato metallico ricombinazione opzionale, e un livello di trasporto buco collegano due strati fotoattivi indipendenti dette sotto-cellule. Collegamento sub-celle in configurazione serie aumenta la tensione a circuito aperto del dispositivo combinato. Alcuni gruppi hanno avuto successo con livelli di trasporto degenerately drogati ^{3 - 5,} ma più gruppi hanno usato le particelle di oro o argento per favorire la ricombinazione di buche ed elettroni l'intercalare ^6,7.

Al contrario, tandem paralleli richiedono un elettrodo ad alta conducibilità, sia l'anodo o il catodo, che unisce i due strati attivi. Lo strato intermedio deve essere altamente trasparente, che limita interstrati tandem serie contenenti particelle metalliche, e ancor più per le interstrati tandem parallele composte di sottili elettrodi metallici continui. I nanotubi di carbonio (CNT) fogli mostrano maggiore trasparenza di strati metallici. Così l'Istituto NanoTech, in collaborazione con l'Università di Shimane, ha introduced il concetto di utilizzare come elettrodo intercalare nella monolitici, dispositivi tandem parallele ^8.

I precedenti tentativi presenti monolitici, tandem, dispositivi OPV paralleli con fogli CNT che fungono da anodi intercalare ^8,9. Questi metodi richiedono una particolare attenzione per evitare corto circuito di una o entrambe le cellule o strati precedenti dannosi al momento del deposito strati successivi. Il nuovo metodo descritto in questo documento facilita fabbricazione ponendo l'elettrodo CNT sopra i polimerici strati attivi di due singole cellule, poi laminando insieme i due dispositivi separati come mostrato in Figura 1. Questo metodo è notevole come dispositivo, inclusi un'aria -stable CNT catodo, può essere realizzata esclusivamente in condizioni ambientali impiegando solo lavorazione a secco e soluzione.

Fogli CNT non sono intrinsecamente buoni catodi, in quanto richiedono drogaggio di tipo n per diminuire la funzione lavoro per raccogliere gli elettroni dalla regione fotoattivodi una cella solare ^10. Doppio strato elettrico carica in un elettrolita, come un liquido ionico, può essere utilizzato per spostare la funzione di lavoro del CNT elettrodi ^{11 - 14.}

Come descritto in un articolo precedente ¹⁵ e illustrato nella Figura 2, quando la tensione di gate _(gate V) è aumenta, la funzione lavoro dell'elettrodo comune CNT viene diminuita, creando asimmetria dell'elettrodo. Questo impedisce la raccolta foro dal donatore OPV a favore della raccolta di elettroni da accettore del OPV, ei dispositivi accende, passando da fotoresistenza inefficiente in fotodiodo ¹⁵ comportamento. Va inoltre notato che l'energia utilizzata per caricare il dispositivo e il potere perso a causa di correnti di dispersione cancello è banale rispetto alla potenza generata dalla cella solare ^15. Gating ionico di elettrodi CNT ha un grande effetto sulla funzione lavoro a causa della bassa densità di stati e l'altosuperficie in rapporto al volume di elettrodi CNT. Metodi simili sono stati utilizzati per migliorare una barriera Schottky all'interfaccia di CNT con n-Si ^16.

Protocollo

1. Indium Tin Oxide (ITO) Patterning e pulizia

NOTA: Utilizzare 15Ω / □ vetro ITO, e l'acquisto o tagliare il vetro ITO in dimensioni adatte per spin coating e fotolitografia. È più efficiente per eseguire i passaggi 1,1-1,7 su un pezzo di vetro più grande possibile, e poi tagliato in piccoli dispositivi. Si noti inoltre che i passaggi 1,1-1,7 richiedono il vetro ITO essere orientato con l'ITO rivolta verso l'alto. Questo può essere controllato facilmente con livello di resistenza di un multimetro.

1. Cappotto Spin 1 ml di S1813 photoresist positivo sul ITO-lato del vetro ITO ad una velocità di 3.000 rpm per 1 min. Utilizzare più resistere per i più grandi pezzi di vetro, assicurarsi che l'intero vetro è rivestito, ed eliminare eventuali bolle prima di iniziare la verniciatura di spin.
2. Ricottura resist vetro rivestito, su una piastra calda, a 115 ° C per 1 min.
3. Caricare il campione e la fotomaschera sul allineatore contatto.
4. Esporre il photoresist rivestito di vetro ITO per un approtempo dei casi. Il tempo di esposizione è di circa 10 secondi, ma variano questa volta sulla base dell'intensità della lampada UV, tipo di photoresist, e spessore.
5. Sviluppare i substrati-UV esposti in Developer MF311. Processo automatico di un processore centrifuga produce migliori e più ripetibili risultati, ma lo sviluppo può essere fatto manualmente come seguito.
   1. Immergere il substrato-UV esposto per 1 min nello sviluppatore, seguita da risciacquo in acqua deionizzata (DI) e asciugatura con una pistola azoto. Perché lo sviluppatore perde forza in fretta, sostituire lo sviluppatore tra i campioni, o in alternativa aumentare il tempo di sviluppo in cui il riutilizzo di sviluppo.
6. Etch i substrati ITO in acido cloridrico concentrato (HCl). Questo richiede tra 5-10 min in funzione della concentrazione di HCl. Sciacquare in acqua deionizzata, asciugare, e verificare la resistività delle parti incise con un multimetro. Se una conducibilità rimane, etch per un tempo più lungo.
7. Dopo l'attacco, rimuovere il photoresist con acetone. Si noti che pronta rimozione del photoresist residuo impedisce HCl da over-incisione del ITO fantasia.
8. Se necessario, tagliare i incise ITO substrati di vetro in dimensioni del dispositivo.
9. Pulire i substrati ITO in un ultrasonicatore bagno in una sequenza di solventi - acqua distillata, acetone, toluene, metanolo, ed infine alcool isopropilico.

2. OPV Fabrication Sub-cell

1. Preparare P3HT: PC ₆₁ soluzione BM.
   NOTA: Per i risultati più consistenti, preparare le soluzioni in un ambiente di azoto. E 'possibile seguire questa procedura in condizioni ambientali.
   1. Trova e annotare la massa di due pulita, ~ 4 fiala di vetro ml e il berretto, e segnarli con un pennarello indelebile per distinguerli da un altro.
   2. In un vano portaoggetti azoto o argon, trasferire circa 10 mg di poli (3-hexylthiophene-2,5-diil) (P3HT) per una fiala e circa 10 mg di fenil-C ₆₁ -butyric acido metil estere (PC ₆₁ BM) all'altro.
   3. Pesare nuovamente le fiale per trovare la massa del P3HT e PC ₆₁ BM.
   4. Trasferire i flaconcini con P3HT e PC ₆₁ BM in un vano portaoggetti per il resto del processo di fabbricazione soluzione.
   5. Aggiungi un ancoretta magnetica in ciascuna provetta e aggiungere abbastanza clorobenzene per ogni per creare 45 mg / ml soluzione.
   6. Collocare le soluzioni su una piastra calda agitazione magnetica a 55 ° C per circa 2 ore o fino a quando i soluti completa dissoluzione.
   7. Miscelare volumi uguali della P3HT e PC ₆₁ BM soluzioni insieme, e lasciare che il mescolare soluzione mista per un'altra ora prima dell'uso.
2. Preparare PTB7: PC ₇₁ soluzione BM.
   1. Ripetere i punti da 2.1.1 a 2.1.4 con 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) e fenil-7,1-butirrico estere metilico (PC ₇₁ BM) invece di P3HT e PC₆₁ BM.
   2. Fare una miscela del 3% in volume 1,8-diiodooctane (DIO) in clorobenzene. Questo mix si chiama DIO-CB.
   3. Aggiungere una ancoretta magnetica in ciascuna provetta e aggiungere abbastanza DIO-CB nella fiala PTB7 avere una soluzione 12 mg / ml e abbastanza DIO-CB al PC ₇₁ BM flaconcino di avere un / ml soluzione 40 mg.
   4. Lasciate che queste soluzioni muovono su una piastra riscaldante a 70 ° C per due giorni.
   5. Mescolare le soluzioni in rapporto in peso di PTB7 a PC ₇₁ BM di 1 a 1,5.
   6. Lasciare agitare soluzione mista per un'altra ora a 70 ° C prima dell'uso.
3. Poli del filtro (3,4-ethylenedioxythiophene): poli (styrenesulfonate) (PEDOT: PSS) attraverso un filtro dimensioni di nylon 0,45 micron pori. Nota: questa procedura utilizza P VP AI4083.
4. Spin Coat strati attivi.
   1. Inserite il substrato ITO puliti, ITO rivolta verso l'alto, in un pulitore UV-Ozono per 5 min.
   2. Spin-coat 120 ml di PEDOT filtrato: PSS sul UV-ozono trattati, fantasia ITO- substrato di vetros a 3.000 rpm per 1 min. Questo dovrebbe produrre uno strato spesso 30 nm.
   3. Ricottura il PEDOT: substrati ITO PSS rivestiti per 5 minuti a 180 ° C.
   4. Spin-coat 70 ml di P3HT misto: PC ₆₁ BM soluzione su PEDOT: PSS rivestito ITO substrati a circa 1000 rpm per 1 min. Variare la velocità come necessario per depositare uno strato attivo di spessore 200 nm.
   5. Ricottura il P3HT: substrati PC ₆₁ BM rivestito a 170 ° C per 5 min. I risultati possono variare dalla temperatura di ricottura ottimale.
   6. Spin-coat 70 ml di PTB7 misto: PC ₇₁ BM soluzione su PEDOT: PSS rivestito ITO substrati a circa 700 rpm per 1 min. Variare la velocità come necessario per depositare uno strato attivo di spessore 100 nm.
   7. Caricare il PTB7: PC ₇₁ BM substrati rivestiti in alto vuoto (<2 x 10 ^-6 Torr) camera per rimuovere DIO residuo. In genere, lasciare i campioni nella camera di O / N.

3. Realizzare il dispositivo Tandem

1. Elettrodi in laminato CNT.
   1. Tagliare i substrati PTB7 e P3HT a metà per creare un dispositivo in tandem. Un modello ITO specializzata non richiederebbe questo passaggio. Il modello ITO dovrebbe avere almeno due parallele ITO Elettrodi estende da un bordo ad un mm dalla altra.
   2. Innanzitutto preparare il PTB7 e substrati rivestiti P3HT pulendo via polimero e PEDOT dai bordi del vetro, ed esporre la striscia ITO che verrà utilizzato come elettrodo comune come visto nel primo pannello di figura 1.
   3. Laminato l'elettrodo comune CNT sulla parte superiore degli elettrodi PTB7 e P3HT. Applicare un film SWCNT posizionando il lato CNT della carta da filtro sul dispositivo, premendo leggermente, quindi peeling la carta da filtro di distanza. Ciò è mostrato nel secondo pannello di figura 1.
   4. Densificare l'elettrodo CNT sulla superficie applicando metossi-nonafluorobutane (C ₄ F ₉ OCH ₃₎ (HFE) e rivestendo CNT con una piccola amount del liquido e poi lasciare asciugare le superfici.
   5. Eliminare il polimero e CNT sopra l'ITO e vetro che avrà l'elettrodo di gate, come mostrato nel terzo pannello di figura 1. Rimuovere tutto il polimero dal vetro per evitare perdite cancello con una lama di rasoio.
   6. Laminato l'elettrodo di gate CNT sulla zona pulita dei substrati PTB7 e P3HT rivestiti. Laminato la MWCNT tirando dal bordo della foresta MWCNT con una lametta e lasciare che il foglio di stare liberamente tra alcuni tubi capillari. Passare il dispositivo attraverso il foglio indipendente di laminare il CNT sul dispositivo. L'elettrodo di gate deve avere 2-3 volte il numero di strati di cui sull'elettrodo comune.
   7. Densificare l'elettrodo di gate con HFE.
2. Inserite una piccola goccia (≈10 ml) di liquido ionico, N, N -Diethyl- N -methyl- N - (2-metossietil) tetrafluoroborato ammonio, DEME _BF-4, in cima a entrambi i CNT elettrodi di unadei substrati.
3. Posizionare con cura il substrato senza liquido ionico sulla parte superiore del substrato con liquido ionico con gli elettrodi comuni e porta uno sopra l'altro,. Questo è mostrato in ultimo pannello di figura 1.
4. Inserire un fotomaschera con una dimensione di apertura inferiore alla dimensione elettrodo sopra l'area attiva. Utilizzare piccole clip per tenere la fotomaschera in posizione e tenere il dispositivo insieme durante il test.

4. Misurare il dispositivo

1. Trasferire il dispositivo nel vano portaoggetti di misura.
2. Effettuare i collegamenti elettrici.
   1. Collegare la tensione di gate di alimentazione tra l'elettrodo comune e l'elettrodo di gate con il comune terreno.
   2. Collegare i due anodi ITO ai fili che sono collegati ad un interruttore che permette la selezione di uno o di entrambi gli anodi anodo.
   3. Collegare l'uscita del sensore all'ingresso dell'unità di misura di origine.
   4. Collegare la massa dei meas di origineUnità ure all'elettrodo comune.
3. Misurare le caratteristiche del dispositivo IV ripetendo le seguenti operazioni per ascendente V _Gate.
   1. Impostare V _Cancello al valore successivo, a partire dal V _Porta = 0 V a V _gate = 2 V con incrementi di 0,25 V.
   2. Attendere 5 minuti o fino a quando la corrente di gate è stabilizzata. Idealmente, la corrente di gate dovrebbe stabilizzarsi intorno 10s di nanoampere.
   3. Impostare l'interruttore di entrambe le sotto-cellule.
   4. Aprire l'otturatore della lampada.
   5. Eseguire una scansione di tensione sull'unità misura fonte da volt -1 a +1 volt a circa 100 incrementi o più.
   6. Eseguire una scansione di tensione da +1 a -1 volt volt.
   7. Chiudere l'otturatore della lampada.
   8. Eseguire di nuovo le spazzate di tensione.
   9. Impostare l'interruttore al sub-cellulare di fronte.
   10. Ripetere i passaggi da 4.3.4 a 4.3.8.
   11. Impostare l'interruttore al sub-cellulare di nuovo.
   12. Ripetere i passaggi da 4.3.4 a 4.3.8.
4. Calcolare i parametri del dispositivo.
   1. Trova la corrente di corto circuito (J _SC) di ogni sub-cellulare a ciascun V _gate trovando la corrente prodotta dal dispositivo quando la tensione ai capi del sub-cellula è 0 V.
   2. Trova la tensione a circuito aperto (V _OC) di ogni sub-cellulare a ciascun V _gate trovando la tensione prodotta dal dispositivo quando la corrente attraverso il sub-cellula è 0 A.
   3. Trova la potenza massima della cella solare moltiplicando ogni valore di tensione con ciascun valore di corrente e selezionando il valore massimo (più negativo). Ciò presuppone che si misura Corrente negativo fotografico generati.
   4. Trova l'efficienza di conversione di potenza (η) dividendo la potenza massima per la potenza della luce di ingresso.
   5. Trova il fattore di riempimento (FF) dividendo la potenza massima dal prodotto di J _SC e V _OC.

Risultati

Un dispositivo in tandem formato da polimeri, in particolare polimeri di significativamente differenti band gap, diversa è di interesse pratico in quanto questi dispositivi possono assorbire la più vasta gamma spettrale della luce. In questa struttura di dispositivo, il sub-cellulare PTB7 è la cella posteriore e P3HT è il sub-cellulare anteriore. Questo ha lo scopo di assorbire la maggior quantità di luce come sub-cellulare P3HT è in gran parte trasparente alla luce lunghezza d'onda assorbita dalla sub-cellula...

Discussione

I risultati evidenziano alcune considerazioni durante la progettazione di celle solari tandem parallelo. In particolare, se una delle sotto-cellule ha un rendimento scarso, le prestazioni in tandem influenzato negativamente. I risultati mostrano che ci sono due effetti principali. Se un sub-cellulare è in corto, ad esempio, mostra un comportamento ohmico, la FF ^T non sarà superiore al FF del sub-cellulare male. J ^T _SC e V ^T _OC saranno interessati in modo ...

Materiali

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