Support for this work was provided by DOE STTR grant DE-SC0003664 on Parallel Tandem Organic Solar Cells with Carbon Nanotube Sheet Interlayers and Welch Foundation grant AT-1617. The authors thank J. Bykova for providing CNT forests and A. R. Howard, K. Meilczarek, and J. Velten for technical assistance and useful discussions.

1.インジウムスズ酸化物（ITO）のパターニングとクリーニング注：使用15Ω/□のITOガラス、スピンコートし、フォトリソグラフィーに適し大きさにITOガラスを購入するか、カット。これは、できるだけ大きなガラス片に、手順1.1から1.7までを実行し、より小型のデバイスにそれを切断することが最も効率的である。また、それは1.1から1.7までは、ITO側を上にして配向させるためのITOガラスを必要とするステップに注意してください。これはマルチメータの抵抗設定で容易に確認することができる。 <ol><li> 1分間の3,000rpmでの速度でITOガラスのITO側へS1813ポジ型フォトレジストのスピンコートを1ml。ガラスの大きなピース用のレジストより使用全体ガラスがコーティングされていることを確認し、スピンコーターを開始する前に気泡を除去。 </li><li> 1分間115℃でホットプレート上で、コーティングされたガラスレジストアニールする。 </li><li>サンプルおよびコンタクトアライナーの上にフォトマスクをロードします。 </li><li>アプロ用のフォトレジストコーティングされたITOガラスを公開priate時間。露光時間は約10秒であるが、UVランプ強度、レジストの種類、厚さに基づいて、この時間を変化させる。 </li><li> MF311現像液中の紫外線露光した基板を開発する。スピンプロセッサの自動化されたプロセスは、最良かつ最も再現性のある結果が生成されますが、続くように開発が手動で行うことができます。 <ol><li>現像液中​​で1分間UV-露光した基板を浸し、脱イオン（DI）水中でリンスし、窒素ガンで乾燥した。開発者が迅速に強度を失うので、サンプル間の現像液を交換する、または開発を再利用する際に、代替的開発時間を増やす。 </li></ol></li><li>濃塩酸（HCl）の中にITO基板をエッチングする。これは、HClの濃度に応じて5〜10分かかります。 、DI水中ですすぎ、乾燥、およびマルチメータとのエッチングされた部分の抵抗率をテストします。どの導電性が残っている場合は、より長い時間エッチ。 </li><li>エッチングが完了すると、ページを削除するアセトンでhotoresist。フォトレジストの迅速な除去はオーバーエッチングパターン化されたITOから残留塩酸を妨げることに注意してください。 </li><li>必要に応じて、デバイスのサイズにエッチングされたITOガラス基板を切断する。 </li><li> DI水、アセトン、トルエン、メタノール、そして最後にイソプロピルアルコール - 溶剤の順序で入浴超音波処理装置におけるITO基板を清掃してください。 </li></ol> 2. OPVサブセルの作製<ol><li> PC 61 BMソリューション：P3HTを準備します。 注：最も一貫した結果を得るには、窒素環境でのソリューションを準備します。これは、周囲条件で、この手順に従うことが可能である。 <ol><li>見つけて、2クリーン、〜4ミリリットルのガラスバイアルとそのキャップの質量を書き留め、別からそれらを区別するために油性マジックでそれらをマークします。 </li><li>窒素またはアルゴングローブボックス中で一のバイアル及びフェニルC 61 -酪酸メチルエステル（P約10mgのポリ（3-ヘキシルチオフェン-2,5-ジイル）（P3HT）の約10mgの転送他に、C 61 BM）。 </li><li> P3HTとPC 61 BMの質量を見つけるために、再度バイアルを計量。 </li><li>ソリューション製造プロセスの残りのためのグローブボックスにP3HTとPC 61 BMとのバイアルを転送します。 </li><li>各バイアルに磁気攪拌棒を追加し、45 mg / mlのソリューションを作成するためにそれぞれに十分なクロロベンゼンを追加します。 </li><li>約2時間、または溶質が完全に溶解するまで55℃で磁気撹拌しながらホットプレート上でソリューションを置きます。 </li><li>一緒にP3HTとPC 61 BMソリューションを等量混合し、使用前にさらに1時間混合溶液を攪拌してみましょう。 </li></ol></li><li> PC 71 BMソリューション：PTB7を準備します。 <ol><li>繰り返しますと2.1.4に2.1.1ステップ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）及びフェニル- 7,1 -酪酸メチルエステル（PC 71 BM）の代わりにP3HTとPCの61 BM。 </li><li>クロロベンゼン中のボリューム1,8- diiodooctane（DIO）により、3％の混合物を作る。このミックスはDIO-CBと呼ばれている。 </li><li> 40 mg / mlの溶液を持っているPC 71 BMバイアルに12 mg / mlの溶液と十分にDIO-CBを持つようにPTB7バイアルに十分DIO-CBを追加し、各バイアルに磁気撹拌棒を加え、。 </li><li>これらの溶液は二日間70℃でホットプレート上で撹拌してみよう。 </li><li> 1.5へのPC 71 1のBMへPTB7の重量比で溶液を混合。 </li><li> 70℃でさらに1時間混合溶液を攪拌は、使用前にしよう。 </li></ol></li><li>フィルタポリ（3,4-エチレンジオキシチオフェン）：ポリ（スチレンスルホン酸）（PEDOT：PSS）を0.45μm孔径のナイロンフィルターを通して。この手順は、P VP AI4083を使用しています注意してください。 </li><li>スピンコート活性層。 <ol><li> 5分間UVオゾンクリーナーに、洗浄したITO基板、ITO側を上にして置きます。 </li><li>スピンコートフィルターPEDOT120μlの：PSSを扱わUV-オゾン上に、ITO-ガラス基板をパターニングし1分間3,000 rpmでの。これは30nmの厚さの層が得られるはずです。 </li><li> PEDOTをアニール：180℃で5分間PSSコーティングされたITO基板を。 </li><li> PEDOT上にPC 61 BMソリューション：混合P3HTの70μlのコートをスピンコーティングされたPSS ITO基板1分間約1,000 rpmで。厚さ200nmの活性層を堆積させるために、必要に応じて速度を変化させる。 </li><li> P3HTをアニール：PC 61 BMがコーティングされた基材を170℃で5分間。結果は、最適なアニーリング温度により異なる可能性があります。 </li><li>混合PTB7の70μlのコートをスピン：PEDOT上にPC 71 BMソリューション：PSSコーティングされたITO基板1分間約700rpmで。厚さ100nmの活性層を堆積させるために、必要に応じて速度を変化させる。 </li><li>残留DIOを除去するために高真空（&lt;×10 2 -6トル）チャンバー内に、PC 71 BMコーティングされた基材：PTB7をロードします。典型的には、チャンバのO / Nの中のサンプルを残す。 </li></ol></li></ol> 3.タンデムデバイスを製造 &lt;オール&gt; <li>ラミネートCNT電極。 <ol><li>タンデムデバイスを作るために半分にPTB7とP3HTの基板をカットします。専門的なITOパターンは、このステップを必要としない。 ITOパターンは、少なくとも二つの平行ITOが離れて、​​他から1ミリメートルに一方の縁から延びる電極が必要です。 </li><li>第一のガラスの縁部からポリマー及びPEDOTを拭き取ることによってPTB7およびP3HTコーティングされた基材を準備し、 図1の第1のパネルに見られるように、共通電極として使用されるITOストリップを露光する。 </li><li> PTB7とP3HTの電極の上にCNTの共通電極を積層。デバイス上のろ紙のCNT側に配置軽く押し、その後離れてろ紙を剥離することによりSWCNT膜を適用する。これは、 図1の第2のパネルに示されている。 </li><li>メトキシ-ノナフルオロブタン（C 4 F 9 OCH 3）（HFE）を適用することによって、小さな天羽にCNTを被覆することによって表面上にCNT電極を高密度化液体のNTと、それはオフに乾燥させる。 </li><li> 図1の第3のパネルに示すように、ゲート電極を持つことになります、ITOの上部とガラス上のポリマーとCNTを拭き取る。カミソリの刃でゲートリークを防止するために、ガラスからの全てのポリマーを削除します。 </li><li> PTB7とP3HTコーティングされた基材の清掃領域にCNTゲート電極を積層。かみそりの刃でMWCNTの森の端から引いてMWCNTを積層し、シートは、いくつかのキャピラリーチューブの間を自由に放置。デバイス上にCNTを積層する自立型シートを介してデバイスを渡します。共通電極上に置かように、ゲート電極は、層の2〜3倍の数を持っている必要があります。 </li><li> HFEゲート電極を高密度化。 </li></ol></li><li> 1のCNT電極の両方の上に、（2-メトキシエチル）アンモニウムテトラフルオロボDEME-BF 4 -イオン液体の小滴（≈10μl）を置き、N、N- -Diethyl- Nは、Nをメチル-基質の。 </li><li>慎重に各-互いの上に共通電極およびゲート電極とイオン液体との基板の上にイオン液体ずに基板を配置します。これは、 図1の最後のパネルに示されている。 </li><li>アクティブ領域上の電極サイズよりも小さい開口サイズを持つフォトマスクを配置します。所定の位置にマスクを保持するだけでなく、テスト中に一緒にデバイスを保持するために、小さなクリップを使用する。 </li></ol> 4. [デバイスを測定します<ol><li>測定グローブボックスにデバイスを移す。 </li><li>電気的な接続を行います。 <ol><li>共通電極とグランドなどの共通ゲート電極との間にゲート電源を接続します。 </li><li>陽極または両方の陽極のどちらかの選択を可能にするスイッチに接続されたワイヤに2枚のITOアノードを接続します。 </li><li>ソースメジャーユニットの入力にスイッチの出力に接続します。 </li><li>ソースMEAのグランドを接続共通電極UREユニット。 </li></ol></li><li> V ゲート昇順ための次のステップを繰り返すことで、デバイスのI-V特性を測定します。 <ol><li> = 0 V V ゲートから0.25 Vの刻みで= 2 V V ゲートに始まり、次の値にV ゲートを設定</li><li>ゲート電流が安定するまで5分待つか。理想的には、ゲート電流はナノアンペアの10sのまわり安定させる必要があります。 </li><li>両方のサブ·セルにスイッチを設定してください。 </li><li>ランプのシャッターを開きます。 </li><li>約100の増分以上に1ボルトに-1ボルトからソースメジャーユニットの電圧スイープを実行します。 </li><li> -1ボルトに1ボルトの電圧スイープを実行します。 </li><li>ランプのシャッターを閉じます。 </li><li>再び電圧スイープを実行します。 </li><li>フロントサブセルにスイッチを設定してください。 </li><li>繰り返して4.3.8に4.3.4を繰り返します。 </li><li>バックサブセルにスイッチを設定します。 </li><li>繰り返して4.3.8に4.3.4を繰り返します。 </li></ol></li><li>デバイスパラメータを計算します。 &lt;オール&gt; <li>サブセルの両端の電圧が0Vであるとき、デバイスによって生成される電流を求めることによって、各V ゲートにおける各サブセルの短絡電流（J SC）を見つける</li><li>サブセルを流れる電流が0Aであるときに、デバイスによって生成される電圧を求めることにより、各V ゲートにおける各サブセルの開回路電圧（V OC）を見つける</li><li>各電流値で、各電圧値を乗算し、最大（最も負）の値を選択することにより、太陽電池から最大電力出力を検索します。これは1つが、光生成電流と負の電流を測定することを前提としています。 </li><li>入力光パワー、最大パワーを分割することにより電力変換効率（η）を見つける。 </li><li> J SCとV OCの積で最大電力で除して充填率（FF）を見つける。 </li></ol></li></ol>

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	<li>He, Z., Zhong, C., Su, S., Xu, M., Wu, H., Cao, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Enhanced+power-conversion+efficiency+in+polymer+solar+cells+using+an+inverted+device+structure.">Enhanced power-conversion efficiency in polymer solar cells using an inverted device structure.</a> Nature Photonics. 6, 591-595 (2012).</li><li>Yuan, Y., Huang, J., Li, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Intermediate+layers+in+tandem+organic+solar+cells.">Intermediate layers in tandem organic solar cells.</a> Green. 1 (1), 65-80 (2011).</li><li>Kim, J. Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Efficient+tandem+polymer+solar+cells+fabricated+by+all-solution+processing.">Efficient tandem polymer solar cells fabricated by all-solution processing.</a> Science. 317 (5835), 222-225 (2007).</li><li>Yu, B., Zhu, F., Wang, H., Li, G., Yan, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=All-organic+tunnel+junctions+as+connecting+units+in+tandem+organic+solar+cell.">All-organic tunnel junctions as connecting units in tandem organic solar cell.</a> Journal of Applied Physics. 104 (11), (2008).</li><li>Schueppel, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Controlled+current+matching+in+small+molecule+organic+tandem+solar+cells+using+doped+spacer+layers.">Controlled current matching in small molecule organic tandem solar cells using doped spacer layers.</a> Journal of Applied Physics. 107 (4), (2010).</li><li>Hiramoto, M., Suezaki, M., Yokoyama, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effect+of+thin+gold+interstitial-layer+on+the+photovoltaic+properties+of+tandem+organic+solar+cell.">Effect of thin gold interstitial-layer on the photovoltaic properties of tandem organic solar cell.</a> Chemistry Letters. 19 (3), 327-330 (1990).</li><li>Xue, J., Uchida, S., Rand, B. P., Forrest, S. 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Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Efficient+tandem+polymer+solar+cells+fabricated+by+all-solution+processing.">Efficient tandem polymer solar cells fabricated by all-solution processing.</a> Science. 317 (5835), 222-225 (2007).</li><li>Kuznetsov, A. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Physics of electron field emission by self-assembled carbon nanotube arrays. , (2008).</li><li>Kuznetzov, A. A., Lee, S. B., Zhang, M., Baughman, R. H., Zakhidov, A. 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D., Zakhidov, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ion-Reconfigurable+photovoltaic+cells,+hybrid+tandems+and+photodetectors+with+CNT+ionic+gate.">Ion-Reconfigurable photovoltaic cells, hybrid tandems and photodetectors with CNT ionic gate.</a> US Patent Application. 61, (2012).</li><li>Cook, A. B., Yuen, J. D., Zakhidov, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electrochemically+gated+organic+photovoltaic+with+tunable+carbon+nanotube+cathodes.">Electrochemically gated organic photovoltaic with tunable carbon nanotube cathodes.</a> Applied Physics Letters. 103 (16), (2013).</li><li>Wadhwa, P., Liu, B., McCarthy, M. A., Wu, Z., Rinzler, A. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electronic+Junction+Control+in+a+Nanotube-Semiconductor+Schottky+Junction+Solar+Cell.">Electronic Junction Control in a Nanotube-Semiconductor Schottky Junction Solar Cell.</a> Nanoletters. 10 (12), 5001-5005 (2010).</li></ol>

The authors have nothing to disclose.

パラレルタンデム太陽電池を設計するときの結果は、いくつかの考慮事項を強調表示します。注目すべきことに、サブセルの場合つは、不十分にマイナス影響を受けたタンデム性能を行っている。結果は、2つの主要な効果があることを示している。一つのサブセルが短絡すると、 例えば 、ミック挙動を示し、FF Tが悪いサブセルのFFよりも高くないであろう。 J T SC...

ポリマー半導体は、高い吸収性、優れた輸送特性、柔軟性、および温度感受性基材との相溶性に主要な有機光起電（OPV）材料である。 OPVデバイスの電力変換効率、η、それらますます実行可能なエネルギー技術作り、9.1％1という高い単一細胞効率で、過去数年間で大幅に跳ね上がっている。 ηの向上にもかかわらず、デバイスの薄最適な活性層の厚さは、光の吸収を制限し、信頼性のある製造を妨げる。さらに、各ポリマーの光吸収のスペクトル幅は、無機材料と比較して制限される。分光感度の異なるペアリングポリマーは、タンデム·アーキテクチャ2必要な技術革新を作り、これらの問題を回避します。 直列タンデムデバイスでは、最も一般的なタンデム·アーキテクチャである。この設計では、電子輸送materiら、任意の金属結合層、及び正孔輸送層は、サブセルと呼ばれる二つの独立した光活性層を接続する。直列構成でサブセルをリ​​ンクする結合装置の開回路電圧を増加させる。いくつかのグループは、縮退ドープ輸送層3との成功があった-図5は 、より多くのグループが、層間6,7で正孔と電子の再結合を支援するために、金または銀の粒子を使用した。 対照的に、並列タンデムの2つの活性層を接合する導電性の高い電極、陽極または陰極のいずれかを必要とする。中間層は、金属粒子を含有する連タンデム中間層を制限し、さらにより薄いので、連続的な金属電極の並列タンデム中間ため、これは非常に透明でなければならない。カーボンナノチューブ（CNT）シートは、金属層よりも高い透明性を示す。ナノテク研究所ので、島根大学と共同で、int型を持つモノリシック、パラレルタンデムデバイス8における層間電極として使用することの概念をroduced。 以前の努力は、層間陽極8,9として機能CNTシートを備えたモノリシック、パラレル、タンデムOPVデバイスを特色にした。これらのメソッドは、後に層を堆積する際に、一方または両方の細胞または損傷前の層の短絡を避けるために特別な注意が必要です。この論文で説明されている新しいメソッドは、2つの単電池のポリマー活性層の上にCNT電極を配置することにより、製造を容易にし、 図1に示すように、その後、2つの別々のデバイスを積層する。この方法は、空気を含む、デバイスとして注目に値する-stable CNTカソードを、唯一の乾燥および溶液処理を用いた周囲条件下で完全に作製することができる。 これらは光活性領域からの電子を収集するために、仕事関数を減少させるためにn型ドーピングを必要とするCNTシートは、本質的に良好なカソードはない太陽電池10の。 14 -などのイオン性液体として電解液中に充電電気二重層は、CNT電極の仕事関数11をシフトするために使用することができる。 先行する用紙15に記載され、 図2に示すように、ゲート電圧（V ゲート ） が増加するとき、CNT共通電極の仕事関数は、電極の非対称性を生成する、減少する。これは、OPVのアクセプターから電子を集めるの賛成でOPVのドナーからの正孔のコレクションを防ぎ、およびデバイスは、フォトダイオード15の行動に非効率的なフォトレジスタから変える、ONにしてください。また、エネルギーは、太陽電池15の発電電力に自明と比較されているデバイスと、ゲートリーク電流に起因して失われた電力を充電するために使用されることに留意すべきである。 CNT電極のイオンゲーティング状態の低密度および高による仕事関数に大きな影響を与えるCNT電極における体積に対する表面積の比。類似の方法は、n-Siを16とCNTの界面でショットキー障壁を強化するために使用されている。

<table><tbody><tr><td>Poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly-(styrenesulfonate)</td><td>Heraeus</td><td>Clevios PVP AI 4083</td><td></td></tr><tr><td>poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl)&amp;nbsp;</td><td>Rieke Metals&amp;nbsp; Inc.</td><td>P3HT:&amp;nbsp; P200</td><td></td></tr><tr><td>phenyl-C&lt;sub&gt;61&lt;/sub&gt;-butyric&amp;nbsp; acid methyl&amp;nbsp; ester</td><td>1- Material</td><td>PC61BM</td><td></td></tr><tr><td>Poly({4,8-bis[(2-ethylhexyl)oxy]benzo[1,2-b:4,5-b&amp;prime;]dithiophene-2,6-diyl}{3-fluoro-2-[(2-ethylhexyl)carbonyl]thieno[3,4-b]thiophenediyl})&amp;nbsp;</td><td>1- Material</td><td>PTB7</td><td></td></tr><tr><td>phenyl-C&lt;sub&gt;61&lt;/sub&gt;-butyric acid methyl&amp;nbsp; ester</td><td>Solenne</td><td>PC71BM</td><td></td></tr><tr><td>1,8-Diiodooctane</td><td>Sigma Aldrich</td><td>250295</td><td></td></tr><tr><td>Chlorobenzene</td><td>Sigma Aldrich</td><td>284513</td><td></td></tr><tr><td>Indium Tin Oxide Coated Glass 15 Ohm/SQ</td><td>Lumtec</td><td></td><td></td></tr><tr><td>S1813</td><td>UTD Cleanroom</td><td></td><td></td></tr><tr><td>MF311</td><td>UTD Cleanroom</td><td></td><td></td></tr><tr><td>HCl</td><td>UTD Cleanroom</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Acetone</td><td>Fisher Scientific</td><td>A18-20</td><td></td></tr><tr><td>Toluene</td><td>Fisher Scientific</td><td>T323-20</td><td></td></tr><tr><td>Methanol</td><td>BDH</td><td>BDH1135-19L</td><td></td></tr><tr><td>Isopropanol</td><td>Fisher Scientific</td><td>A416-20</td><td></td></tr><tr><td>CEE Spincoater</td><td>Brewer Scientific</td><td></td><td>http://www.utdallas.edu/research/cleanroom/tools/CEESpinCoater.htm</td></tr><tr><td>Contact Printer</td><td>Quintel</td><td>Q4000-6</td><td>http://www.utdallas.edu/research/cleanroom/QuintelPrinter.htm</td></tr><tr><td>CPK Spin Processor</td><td></td><td></td><td>http://www.utdallas.edu/research/cleanroom/tools/CPKsolvent.htm</td></tr><tr><td>Spin Coater</td><td>Laurell</td><td>WS-400-6NPP/LITE</td><td></td></tr><tr><td colspan="4">[header]</td></tr><tr><td>Glove Box</td><td>M-Braun</td><td>Lab Master 130</td><td></td></tr><tr><td>Solar Simulator</td><td>Thermo Oriel/Newport</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Keithley 2400 SMU</td><td>Keithley/Techtronix</td><td>2400</td><td></td></tr><tr><td>Keithley 7002 Multiplexer</td><td>Keithley/Techtronix</td><td>7002</td><td></td></tr><tr><td>Ultrasonic Cleaner</td><td>Kendal</td><td>HB-S-49HDT</td><td></td></tr><tr><td>Micropipette</td><td>Eppendorf</td><td>200 &amp;micro;l</td><td></td></tr></tbody></table>

ambient method for the production of an ionically gated carbon nanotube common cathode in tandem organic solar cells

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.

これらのデバイスは、光の最大のスペクトル範囲を吸収することができるように、異なるポリマーから形成されたタンデム型デバイス、著しくバンドギャップの異なるポリマーは、特に、実用的に重要である。このデバイス構造では、PTB7サブセルがバック細胞であり、P3HTは、フロントサブセルである。これは、P3HTサブセルがPTB7サブセルによって吸収されるより長い波長の光に対して主に透...

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Ambient Method for the Production of an Ionically Gated Carbon Nanotube Common Cathode in Tandem Organic Solar Cells

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.

タンデム有機太陽電池におけるイオン的ゲーテッドカーボンナノチューブ共通カソードの生産のための周囲の方法

A method of fabricating organic photovoltaic (OPV) tandems that requires no vacuum processing is presented. These devices are comprised of two ...

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Research

JoVE Journal

Engineering

9.3K ビュー.  The University of Texas at Dallas. 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.

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Harvesting Solar Energy by Means of Charge-Separating Nanocrystals and Their Solids

Conjoining different semiconductor materials in a single nano-composite provides synthetic means for the development of novel optoelectronic materials offering a superior control over the spatial distribution of charge carriers across material interfaces. As this study demonstrates, a combination of donor-acceptor nanocrystal (NC) domains in a single nanoparticle can lead to the realization of efficient photocatalytic1-5 materials, while a layered assembly of donor- and acceptor-like nanocrystals films gives rise to photovoltaic materials.
Initially the paper focuses on the synthesis of composite inorganic nanocrystals, comprising linearly stacked ZnSe, CdS, and Pt domains, which jointly promote photoinduced charge separation. These structures are used in aqueous solutions for the photocatalysis of water under solar radiation, resulting in the production of H2 gas. To enhance the photoinduced separation of charges, a nanorod morphology with a linear gradient originating from an intrinsic electric field is used5. The inter-domain energetics are then optimized to drive photogenerated electrons toward the Pt catalytic site while expelling the holes to the surface of ZnSe domains for sacrificial regeneration (via methanol). Here we show that the only efficient way to produce hydrogen is to use electron-donating ligands to passivate the surface states by tuning the energy level alignment at the semiconductor-ligand interface. Stable and efficient reduction of water is allowed by these ligands due to the fact that they fill vacancies in the valence band of the semiconductor domain, preventing energetic holes from degrading it. Specifically, we show that the energy of the hole is transferred to the ligand moiety, leaving the semiconductor domain functional. This enables us to return the entire nanocrystal-ligand system to a functional state, when the ligands are degraded, by simply adding fresh ligands to the system4.
To promote a photovoltaic charge separation, we use a composite two-layer solid of PbS and TiO2 films. In this configuration, photoinduced electrons are injected into TiO2 and are subsequently picked up by an FTO electrode, while holes are channeled to a Au electrode via PbS layer6. To develop the latter we introduce a Semiconductor Matrix Encapsulated Nanocrystal Arrays (SMENA) strategy, which allows bonding PbS NCs into the surrounding matrix of CdS semiconductor. As a result, fabricated solids exhibit excellent thermal stability, attributed to the heteroepitaxial structure of nanocrystal-matrix interfaces, and show compelling light-harvesting performance in prototype solar cells7.

A general strategy for the development of charge-separating semiconductor nanocrystal composites deployable for solar energy production is presented. We show that assembly of donor-acceptor nanocrystal domains in a single nanoparticle geometry gives rise to a photocatalytic function, while bulk-heterojunctions of donor-acceptor nanocrystal films can be used for photovoltaic energy conversion.

電荷分離ナノ結晶とその固体の手段によって太陽エネルギーを収穫

Conjoining different semiconductor materials in a single nano-composite provides synthetic means for the development of novel optoelectronic materials ...

工学

Integrating a Triplet-triplet Annihilation Up-conversion System to Enhance Dye-sensitized Solar Cell Response to Sub-bandgap Light

The poor response of dye-sensitized solar cells (DSCs) to red and infrared light is a significant impediment to the realization of higher photocurrents and hence higher efficiencies. Photon up-conversion by way of triplet-triplet annihilation (TTA-UC) is an attractive technique for using these otherwise wasted low energy photons to produce photocurrent, while not interfering with the photoanodic performance in a deleterious manner. Further to this, TTA-UC has a number of features, distinct from other reported photon up-conversion technologies, which renders it particularly suitable for coupling with DSC technology. In this work, a proven high performance TTA-UC system, comprising a palladium porphyrin sensitizer and rubrene emitter, is combined with a high performance DSC (utilizing the organic dye D149) in an integrated device. The device shows an enhanced response to sub-bandgap light over the absorption range of the TTA-UC sub-unit resulting in the highest figure of merit for up-conversion assisted DSC performance to date.

An integrated device, incorporating a dye-sensitized solar cell and triplet-triplet annihilation up-conversion unit was produced, affording enhanced light harvesting, from a wider section of the solar spectrum. Under modest irradiation levels a significantly enhanced response to low energy photons was demonstrated, yielding a record figure of merit for dye-sensitized solar cells.

サブバンドギャップ光に色素増感型太陽電池の応答を増強する三重項 - 三重消滅アップコンバージョンシステムの統合

The poor response of dye-sensitized solar cells (DSCs) to red and infrared light is a significant impediment to the realization of higher photocurrents ...

Making Record-efficiency SnS Solar Cells by Thermal Evaporation and Atomic Layer Deposition

Tin sulfide (SnS) is a candidate absorber material for Earth-abundant, non-toxic solar cells. SnS offers easy phase control and rapid growth by congruent thermal evaporation, and it absorbs visible light strongly. However, for a long time the record power conversion efficiency of SnS solar cells remained below 2%. Recently we demonstrated new certified record efficiencies of 4.36% using SnS deposited by atomic layer deposition, and 3.88% using thermal evaporation. Here the fabrication procedure for these record solar cells is described, and the statistical distribution of the fabrication process is reported. The standard deviation of efficiency measured on a single substrate is typically over 0.5%. All steps including substrate selection and cleaning, Mo sputtering for the rear contact (cathode), SnS deposition, annealing, surface passivation, Zn(O,S) buffer layer selection and deposition, transparent conductor (anode) deposition, and metallization are described. On each substrate we fabricate 11 individual devices, each with active area 0.25 cm2. Further, a system for high throughput measurements of current-voltage curves under simulated solar light, and external quantum efficiency measurement with variable light bias is described. With this system we are able to measure full data sets on all 11 devices in an automated manner and in minimal time. These results illustrate the value of studying large sample sets, rather than focusing narrowly on the highest performing devices. Large data sets help us to distinguish and remedy individual loss mechanisms affecting our devices.

Tin sulfide (SnS) is a candidate material for Earth-abundant, non-toxic solar cells. Here, we demonstrate the fabrication procedure of the SnS solar cells employing atomic layer deposition, which yields 4.36% certified power conversion efficiency, and thermal evaporation which yields 3.88%.

熱蒸着および原子層堆積法によって記録し、効率のSnS太陽電池を作ります

Tin sulfide (SnS) is a candidate absorber material for Earth-abundant, non-toxic solar cells. SnS offers easy phase control and rapid growth by congruent ...

Fabrication of Fully Solution Processed Inorganic Nanocrystal Photovoltaic Devices

We demonstrate a method for the preparation of fully solution processed inorganic solar cells from a spin and spray coating deposition of nanocrystal inks. For the photoactive absorber layer, colloidal CdTe and CdSe nanocrystals (3-5 nm) are synthesized using an inert hot injection technique and cleaned with precipitations to remove excess starting reagents. Similarly, gold nanocrystals (3-5 nm) are synthesized under ambient conditions and dissolved in organic solvents. In addition, precursor solutions for transparent conductive indium tin oxide (ITO) films are prepared from solutions of indium and tin salts paired with a reactive oxidizer. Layer-by-layer, these solutions are deposited onto a glass substrate following annealing (200-400 &#176;C) to build the nanocrystal solar cell (glass/ITO/CdSe/CdTe/Au). Pre-annealing ligand exchange is required for CdSe and CdTe nanocrystals where films are dipped in NH4Cl:methanol to replace long-chain native ligands with small inorganic Cl- anions. NH4Cl(s) was found to act as a catalyst for the sintering reaction (as a non-toxic alternative to the conventional CdCl2(s) treatment) leading to grain growth (136&#177;39 nm) during heating. The thickness and roughness of the prepared films are characterized with SEM and optical profilometry. FTIR is used to determine the degree of ligand exchange prior to sintering, and XRD is used to verify the crystallinity and phase of each material. UV/Vis spectra show high visible light transmission through the ITO layer and a red shift in the absorbance of the cadmium chalcogenide nanocrystals after thermal annealing. Current-voltage curves of completed devices are measured under simulated one sun illumination. Small differences in deposition techniques and reagents employed during ligand exchange have been shown to have a profound influence on the device properties. Here, we examine the effects of chemical (sintering and ligand exchange agents) and physical treatments (solution concentration, spray-pressure, annealing time and annealing temperature) on photovoltaic device performance.

This protocol describes the synthesis and solution deposition of inorganic nanocrystals layer by layer to produce thin film electronics on non-conductive surfaces. Solvent-stabilized inks can produce complete photovoltaic devices on glass substrates via spin and spray coating following post-deposition ligand exchange and sintering.

完全に解決策が処理無機ナノ結晶太陽電池素子の作製

We demonstrate a method for the preparation of fully solution processed inorganic solar cells from a spin and spray coating deposition of nanocrystal ...

Morphology Control for Fully Printable Organic&#8211;Inorganic Bulk-heterojunction Solar Cells Based on a Ti-alkoxide and Semiconducting Polymer

The photoactive layer of a typical organic thin-film bulk-heterojunction (BHJ) solar cell commonly uses fullerene derivatives as the electron-accepting material. However, fullerene derivatives are air-sensitive; therefore, air-stable material is needed as an alternative. In the present study, we propose and describe the properties of Ti-alkoxide as an alternative electron-accepting material to fullerene derivatives to create highly air-stable BHJ solar cells. It is well-known that controlling the morphology in the photoactive layer, which is constructed with fullerene derivatives as the electron acceptor, is important for obtaining a high overall efficiency through the solvent method. The conventional solvent method is useful for high-solubility materials, such as fullerene derivatives. However, for Ti-alkoxides, the conventional solvent method is insufficient, because they only dissolve in specific solvents. Here, we demonstrate a new approach to morphology control that uses the molecular bulkiness of Ti-alkoxides without the conventional solvent method. That is, this method is one approach to obtain highly efficient, air-stable, organic-inorganic bulk-heterojunction solar cells.

A method for fully printable, fullerene-free, highly air-stable, bulk-heterojunction solar cells based on Ti alkoxides as the electron acceptor and the electron-donating polymer fabrication is described here. Moreover, a method for controlling the morphology of the photoactive layer through the molecular bulkiness of the Ti-alkoxide units is reported.

チタンアルコキシドおよび半導体ポリマーに基づいて、完全に印刷可能な有機 - 無機バルクヘテロ接合太陽電池用形態制御

The photoactive layer of a typical organic thin-film bulk-heterojunction (BHJ) solar cell commonly uses fullerene derivatives as the electron-accepting ...

Monovalent Cation Doping of CH3NH3PbI3 for Efficient Perovskite Solar Cells

Here, we demonstrate the incorporation of monovalent cation additives into CH3NH3PbI3 perovskite in order to adjust the optical, excitonic, and electrical properties. The possibility of doping was investigated by adding monovalent cation halides with similar ionic radii to Pb2+, including Cu+, Na+, and Ag+. A shift in the Fermi level and a remarkable decrease of sub-bandgap optical absorption, along with a lower energetic disorder in the perovskite, was achieved. An order-of-magnitude enhancement in the bulk hole mobility and a significant reduction of transport activation energy within an additive-based perovskite device was attained. The confluence of the aforementioned improved properties in the presence of these cations led to an enhancement in the photovoltaic parameters of the perovskite solar cell. An increase of 70 mV in open circuit voltage for AgI and a 2 mA/cm2 improvement in photocurrent density for NaI- and CuBr-based solar cells were achieved compared to the pristine device. Our work paves the way for further improvements in the optoelectronic quality of CH3NH3PbI3 perovskite and subsequent devices. It highlights a new avenue for investigations on the role of dopant impurities in crystallization and controls the electronic defect density in perovskite structures.

Monovalent Cation Doping of CH3NH3PbI3 for Efficient Perovskite Solar Cells

Here, we present a protocol to adjust the properties of solution-processed CH3NH3PbI3 through the incorporation of monovalent cation additives in order to achieve highly efficient perovskite solar cells.

CHの一価の陽イオンドーピング<sub&gt; 3</sub&gt; NH<sub&gt; 3</sub&gt; PBI<sub&gt; 3</sub&gt;効率的なペロブスカイト太陽電池用

Here, we demonstrate the incorporation of monovalent cation additives into CH3NH3PbI3 perovskite in order to adjust the optical, excitonic, and electrical ...

Electrospinning of Photocatalytic Electrodes for Dye-sensitized Solar Cells

This work demonstrates a protocol to fabricate a fiber-based photoanode for dye-sensitized solar cells, consisting of a light-scattering layer made of electrospun titanium dioxide nanofibers (TiO2-NFs) on top of a blocking layer made of commercially available titanium dioxide nanoparticles (TiO2-NPs). This is achieved by first electrospinning a solution of titanium (IV) butoxide, polyvinylpyrrolidone (PVP), and glacial acetic acid in ethanol to obtain composite PVP/TiO2 nanofibers. These are then calcined at 500 &#176;C to remove the PVP and to obtain pure anatase-phase titania nanofibers. This material is characterized using scanning electron microscopy (SEM) and powder X-ray diffraction (XRD). The photoanode is prepared by first creating a blocking layer through the deposition of a TiO2-NPs/terpineol slurry on a fluorine-doped tin oxide (FTO) glass slide using doctor blading techniques. A subsequent thermal treatment is performed at 500 &#176;C. Then, the light-scattering layer is formed by depositing a TiO2-NFs/terpineol slurry on the same slide, using the same technique, and calcinating again at 500 &#176;C. The performance of the photoanode is tested by fabricating a dye-sensitized solar cell and measuring its efficiency through J-V curves under a range of incident light densities, from 0.25-1 Sun.

The overall goal of this project was to use electrospinning to fabricate a photoanode with improved performance for dye-sensitized solar cells.

色素増感太陽電池用光触媒電極のエレクトロスピニング

This work demonstrates a protocol to fabricate a fiber-based photoanode for dye-sensitized solar cells, consisting of a light-scattering layer made of ...

Well-aligned Vertically Oriented ZnO Nanorod Arrays and their Application in Inverted Small Molecule Solar Cells

This manuscript describes how to design and fabricate efficient inverted solar cells, which are based on a two-dimensional conjugated small molecule (SMPV1) and [6,6]-phenyl-C71-butyric acid methyl ester (PC71BM), by utilizing ZnO nanorods (NRs) grown on a high quality Al-doped ZnO (AZO) seed layer. The inverted SMPV1:PC71BM solar cells with ZnO NRs that grew on both a sputtered and sol-gel processed AZO seed layer are fabricated. Compared with the AZO thin film prepared by the sol-gel method, the sputtered AZO thin film exhibits better crystallization and lower surface roughness, according to X-ray diffraction (XRD) and atomic force microscope (AFM) measurements. The orientation of the ZnO NRs grown on a sputtered AZO seed layer shows better vertical alignment, which is beneficial for the deposition of the subsequent active layer, forming better surface morphologies. Generally, the surface morphology of the active layer mainly dominates the fill factor (FF) of the devices. Consequently, the well-aligned ZnO NRs can be used to improve the carrier collection of the active layer and to increase the FF of the solar cells. Moreover, as an anti-reflection structure, it can also be utilized to enhance the light harvesting of the absorption layer, with the power conversion efficiency (PCE) of solar cells reaching 6.01%, higher than the sol-gel based solar cells with an efficiency of 4.74%.

This manuscript describes how to design and fabricate efficient inverted SMPV1:PC71BM solar cells with ZnO nanorods (NRs) grown on a high quality Al-doped ZnO (AZO) seed layer. The well-aligned vertically oriented ZnO NRs exhibit high crystalline properties. The power conversion efficiency of solar cells can reach 6.01%.

整列垂直方向に配向 ZnO ナノロッド配列と反転小さな分子の太陽電池の応用

This manuscript describes how to design and fabricate efficient inverted solar cells, which are based on a two-dimensional conjugated small molecule ...

Fabrication of Robust Nanoscale Contact between a Silver Nanowire Electrode and CdS Buffer Layer in Cu(In,Ga)Se2 Thin-film Solar Cells

Silver nanowire transparent electrodes have been employed as window layers for Cu(In,Ga)Se2 thin-film solar cells. Bare silver nanowire electrodes normally result in very poor cell performance. Embedding or sandwiching silver nanowires using moderately conductive transparent materials, such as indium tin oxide or zinc oxide, can improve cell performance. However, the solution-processed matrix layers can cause a significant number of interfacial defects between transparent electrodes and the CdS buffer, which can eventually result in low cell performance. This manuscript describes how to fabricate robust electrical contact between a silver nanowire electrode and the underlying CdS buffer layer in a Cu(In,Ga)Se2 solar cell, enabling high cell performance using matrix-free silver nanowire transparent electrodes. The matrix-free silver nanowire electrode fabricated by our method proves that the charge-carrier collection capability of silver nanowire electrode-based cells is as good as that of standard cells with sputtered ZnO:Al/i-ZnO as long as the silver nanowires and CdS have high-quality electrical contact. The high-quality electrical contact was achieved by depositing an additional CdS layer as thin as 10 nm onto the silver nanowire surface.

Fabrication of Robust Nanoscale Contact between a Silver Nanowire Electrode and CdS Buffer Layer in CuIn,GaSe2 Thin-film Solar Cells

In this protocol, we describe the detailed experimental procedure for the fabrication of a robust nanoscale contact between a silver nanowire network and CdS buffer layer in a CIGS thin-film solar cell.

Cu(In,Ga)Se2薄膜太陽電池における銀ナノワイヤー電極とCdSバッファー層間の堅牢なナノスケール接触の製造

Silver nanowire transparent electrodes have been employed as window layers for Cu(In,Ga)Se2 thin-film solar cells. Bare silver nanowire electrodes ...

In situ Grazing Incidence Small Angle X-ray Scattering on Roll-To-Roll Coating of Organic Solar Cells with Laboratory X-ray Instrumentation

We present an in-house, in situ Grazing Incidence Small Angle X-ray Scattering (GISAXS) experiment, developed to probe the drying kinetics of roll-to-roll slot-die coating of the active layer in organic photovoltaics (OPVs), during deposition. For this demonstration, the focus is on the combination of P3HT:O-IDTBR and P3HT:EH-IDTBR, which have different drying kinetics and device performance, despite their chemical structure only varying slightly by the sidechain of the small molecule acceptor. This article provides a step-by-step guide to perform an in situ GISAXS experiment and demonstrates how to analyze and interpret the results. Usually, performing this type of in situ X-ray experiments to investigate the drying kinetics of the active layer in OPVs relies on access to synchrotrons. However, by using and further developing the method described in this paper, it is possible to perform experiments with a coarse temporal and spatial resolution, on a day-to-day basis to gain fundamental insight in the morphology of drying inks.

This paper is a demonstration and a guideline to perform and analyze in-house (with a laboratory X-ray instrument) in situ GISAXS experiments of drying inks on roll-to-roll slot-die coated, non-fullerene organic photovoltaics.

実験室X線計装による有機太陽電池のロールツーロールコーティングにおけるその場放牧発生率小角X線散乱

We present an in-house, in situ Grazing Incidence Small Angle X-ray Scattering (GISAXS) experiment, developed to probe the drying kinetics of roll-to-roll ...