Método ambiente para a produção de um Common Cathode ionicamente fechado de Nanotubos de Carbono em Células solares orgânicas Tandem

Resumo

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.

Resumo

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.

Introdução

Semicondutores poliméricos são os principais fotovoltaicos orgânicos (OPV) de materiais, devido à alta absortividade, boas propriedades de transporte, flexibilidade e compatibilidade com substratos sensíveis à temperatura. Dispositivos OPV eficiência de conversão de energia, η, saltaram significativamente nos últimos anos, com a eficiência de células únicas tão elevadas como 9,1% ^1, tornando-se uma tecnologia de energia cada vez mais viável.

Apesar das melhorias em η, as finas ideais espessuras camada ativa dos dispositivos de limitar a absorção de luz e impedem a fabricação de confiança. Além disso, a largura espectral de absorção de luz de cada polímero é limitada em comparação com materiais inorgânicos. Polímeros de emparelhamento de diferentes sensibilidade espectral ignora estas dificuldades, fazendo com que as arquiteturas em tandem ² a inovação necessária.

Dispositivos em tandem Series são a arquitetura conjunto mais comum. Neste projeto, um materi transporte de elétronsai, uma camada metálica opcional a recombinação, e uma camada de transporte furo ligar duas camadas independentes fotoactivos chamados sub-células. Ligando sub-células numa configuração em série aumenta a tensão do circuito aberto do dispositivo de combinação. Alguns grupos tiveram sucesso com camadas de transporte degenerately dopados ^3-5, mas mais grupos usaram partículas de ouro ou prata para ajudar a recombinação de buracos e elétrons na camada intermediária ^6,7.

Em contraste, tandens paralelas requerem um eléctrodo de alta condutividade, qualquer um ânodo ou cátodo, juntando-se as duas camadas activas. O intercalar deve ser altamente transparente, o que limita intercalares em tandem série contendo partículas metálicas, e mais ainda para as intercalares em tandem paralelas compostas de finos, eletrodos metálicos contínuos. Os nanotubos de carbono (CNT) folhas apresentam maior transparência do que camadas de metal. Assim, o Instituto NanoTech, em colaboração com a Universidade de Shimane, tem introduced o conceito de usar como camada intermédia do eléctrodo em dispositivos monolíticos, em tandem paralelas ^8.

Esforços anteriores, caracterizado, dispositivos de conjunto OPV paralelas monolíticos de folhas CNT que funcionam como ânodos entre camadas ^8,9. Estes métodos exigem um cuidado especial para evitar curto-circuito de uma ou ambas as células ou camadas anteriores prejudiciais ao depositar camadas posteriores. O novo método descrito no presente documento facilita a fabricação, colocando o eléctrodo CNT no topo das camadas poliméricas activas de duas células individuais, em seguida, laminando os dois dispositivos separados em conjunto, como mostrado na Figura 1. Este método é notável quanto o dispositivo, incluindo um aparelho de ar -stable cátodo CNT, pode ser fabricado totalmente em condições ambientais empregando apenas de processamento a seco e solução.

Folhas CNT não são intrinsecamente boas catodos, como eles exigem n-type doping para diminuir a função de trabalho, a fim de coletar os elétrons da região fotoativode uma célula solar ^10. Carregamento eléctrico de dupla camada dentro de um electrólito, tal como um líquido iónico, pode ser usado para deslocar a função de trabalho dos eléctrodos CNT ^11-14.

Conforme descrito num artigo anterior ¹⁵ e representada na Figura 2, quando a tensão da porta _(gate V) é aumenta, a função de trabalho do eléctrodo comum CNT é diminuída, criando eléctrodo de assimetria. Isso evita coleção buraco do doador da OPV em favor da coleta de elétrons do receptor da OPV, e os dispositivos de ligar, mudando de photoresistor ineficiente em fotodiodo ¹⁵ comportamento. Deve também ser notado que a energia utilizada para carregar o dispositivo e o poder perdido devido a correntes de fuga portão é menor em comparação com a energia gerada pela célula solar ^15. Gating Ionic de eletrodos CNT tem um grande efeito sobre a função de trabalho, devido à baixa densidade de estados ea altarazão entre superfície e volume, em eléctrodos CNT. Métodos semelhantes têm sido utilizados para melhorar uma barreira Schottky na interface do CNT com n-Si ^16.

Protocolo

1. Índio Tin Oxide (ITO) Padronização e Limpeza

NOTA: Use 15Ω / □ ITO vidro, e compra ou cortar o vidro ITO em tamanhos adequados para o revestimento de rotação e fotolitografia. É mais eficiente para realizar os passos 1,1-1,7 em um pedaço de vidro tão grande quanto possível, e, em seguida, cortá-la em dispositivos menores. Observe também que os passos 1,1-1,7 exigir o vidro ITO a ser orientado com o ITO-side up. Isto pode ser verificado facilmente com ajuste de resistência de um multímetro.

1. Revestimento de spin 1 ml de S1813 fotorresistente positiva onto-ITO o lado do vidro ITO a uma velocidade de 3.000 rpm durante 1 min. Use mais resistir por grandes pedaços de vidro, certifique-se todo o vidro é revestido, e retire as bolhas antes de iniciar o coater rodada.
2. Recozer a resistir vidro revestido, numa placa quente, a 115 ° C durante 1 min.
3. Coloque a amostra ea fotomáscaras para o alinhador contato.
4. Expor o vidro ITO fotossensíveis revestidos por uma aprovez disso. O tempo de exposição é de cerca de 10 segundos, mas este tempo pode variar com base na intensidade da lâmpada de UV, tipo foto-resistente, e espessura.
5. Desenvolver os substratos expostos aos raios UV em desenvolvedor MF311. Processo automatizado de um processador de rotação produz os melhores e mais reproduzíveis resultados, mas o desenvolvimento pode ser feito manualmente, como se seguiu.
   1. Submerge os substratos expostos aos raios UV, durante 1 min no revelador, seguido de enxaguamento em água desionizada (DI) de água e secagem com uma pistola de azoto. Porque o desenvolvedor perde força rapidamente, substitua o desenvolvedor entre as amostras, ou, alternativamente, aumentar o tempo de desenvolvimento ao reutilizar desenvolvedor.
6. Etch os substratos de ITO em ácido clorídrico concentrado (HCl). Isto leva entre 5-10 min, dependendo da concentração do HCl. Enxágüe em água DI, seco, e testar a resistividade das porções gravadas com um multímetro. Se qualquer condutividade permanece, etch para um tempo mais longo.
7. Uma vez que o ataque é concluída, remova o photoresist com acetona. Note-se que a remoção imediata do photoresist impede HCl residual do excesso de gravura do ITO padronizada.
8. Se necessário, corte as gravadas substratos de vidro ITO em tamanhos de dispositivos.
9. Limpar os substratos de ITO em um banho de ultrasonicator numa sequência de solventes - água DI, acetona, tolueno, metanol e, finalmente, o álcool isopropílico.

2. OPV fabricação de células Sub

1. Prepare P3HT: PC ₆₁ solução BM.
   NOTA: Para obter os resultados mais consistentes, preparar as soluções em um ambiente de nitrogênio. É possível seguir este procedimento em condições ambientais.
   1. Encontre e anote a massa de dois limpo, ~ 4 ml frasco de vidro e suas tampas, e marcá-los com um marcador permanente para distingui-los dos outros.
   2. Numa caixa de luvas de azoto ou árgon, transferir aproximadamente 10 mg de poli (3-hexiltiofeno-2,5-di-il) (P3HT) para um frasco e cerca de 10 mg de fenil-C ₆₁ éster metílico de ácido butírico (PC ₆₁ BM) para o outro.
   3. Pesar os frascos de novo para encontrar a massa do P3HT e PC ₆₁ BM.
   4. Transfira os frascos com P3HT e PC ₆₁ BM em uma caixa de luvas para o resto do processo de tomada de solução.
   5. Adicionar uma barra de agitação magnética em cada frasco e, em seguida, adicionar a cada clorobenzeno suficiente para criar soluções de 45 mg / ml.
   6. Colocar as soluções em uma placa de agitação magnética quente a 55 ° C durante aproximadamente 2 horas ou até que os solutos se ter dissolvido completamente.
   7. Misturar volumes iguais de P3HT e PC ₆₁ BM soluções em conjunto, e deixar a celeuma solução mista por mais uma hora antes de usar.
2. Prepare PTB7: PC ₇₁ solução BM.
   1. Repita os passos 2.1.1 a 2.1.4 com 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-butírico éster metílico do ácido (BM PC ₇₁₎ em vez de PC e P3HT₆₁ BM.
   2. Fazer uma mistura de 3%, em volume, 1,8-diiodooctane (DIO) em clorobenzeno. Esta mistura é chamado o DIO-CB.
   3. Adicionar uma barra de agitação magnética em cada frasco e, em seguida, adicionar o suficiente DIO-CB para o frasco PTB7 ter uma solução de 12 mg / ml e suficiente DIO-CB para o PC ₇₁ BM frasco ter um / ml de solução a 40 mg.
   4. Deixar estas soluções agitar numa placa quente a 70 ° C durante dois dias.
   5. Misturar as soluções em uma proporção em peso de PTB7 ao PC ₇₁ BM de 1 a 1,5.
   6. Deixe a solução mista de agitação durante outra hora a 70 ° C antes de usar.
3. Filtro de poli (3,4-etilenodioxitiofeno): poli (estirenossulfonato) (PEDOT: PSS) através de um filtro de 0,45 um de tamanho de poro de nylon. Note que este procedimento usa P VP AI4083.
4. Brasão rotação camadas ativas.
   1. Coloque substratos de ITO limpas, ITO voltado para cima, em um limpador de UV-Ozônio por 5 min.
   2. Spin-coat 120 ul do PEDOT: PSS filtrada para UV-ozônio tratada, modelado ITO- substrato de vidros a 3000 rpm durante 1 min. Isto deve produzir uma camada de 30 nm de espessura.
   3. Recozer o PEDOT: PSS substratos de ITO revestidas durante 5 min a 180 ° C.
   4. Spin-coat 70 ul da P3HT mista: PC ₆₁ BM solução para PEDOT: PSS revestido ITO substratos em cerca de 1.000 rpm por 1 min. Varie o ritmo que precisava depositar uma camada ativa nm de espessura 200.
   5. Recozer o P3HT: substratos revestidos BM PC ₆₁ a 170 ° C durante 5 min. Os resultados podem variar na temperatura de recozimento óptima.
   6. Spin-coat 70 ul da PTB7 mista: PC ₇₁ BM solução para PEDOT: PSS revestido ITO substratos em aproximadamente 700 rpm por 1 min. Varie o ritmo que precisava depositar uma camada ativa de espessura nm 100.
   7. Carregar o PTB7: PC ₇₁ BM substratos revestidos em alto vácuo (<2 x 10 ^-6 Torr) para remover a câmara de DIO residual. Tipicamente, deixar as amostras na câmara de O / N.

3. Fabricar o Dispositivo Tandem

1. Eletrodos laminado CNT.
   1. Corte os substratos PTB7 e P3HT ao meio para fazer um dispositivo tandem. Um padrão de ITO especializada não seria necessário este passo. O padrão de ITO deve ter pelo menos dois eletrodos ITO paralelo que se estende a partir de uma borda para um milímetro de distância da outra.
   2. Em primeiro lugar preparar a PTB7 e substratos P3HT revestidos por polímero e enxugando PEDOT a partir das bordas do vidro, e expor a tira de ITO que irá ser utilizado como eléctrodo comum como visto no primeiro painel da Figura 1.
   3. Laminado o eléctrodo comum CNT no topo dos eléctrodos e PTB7 P3HT. Aplicar um filme SWCNT colocando lado a CNT do papel de filtro sobre o dispositivo, pressionando suavemente, e, em seguida, descascar o papel de filtro afastado. Isto é mostrado no segundo painel da Figura 1.
   4. Densificar o CNT eléctrodo para a superfície por aplicação de metoxi-nonafluorobutane (C ₄ F _{9 OCH3)} (HFE) e revestindo o CNT com uma pequena amount do líquido e, em seguida, deixá-lo secar.
   5. Enxugar o polímero e CNT no topo do vidro ITO e que terá o eléctrodo de porta, como mostrado no terceiro painel da Figura 1. Remover todo o polímero a partir do vidro para evitar a perda de porta com uma lâmina de barbear.
   6. Laminar o eléctrodo de porta CNT para a área limpa dos substratos PTB7 e P3HT revestidos. Laminar o MWCNT puxando a partir da borda da floresta MWCNT com uma lâmina de barbear e deixe a folha ficar livremente entre alguns tubos capilares. Passe o dispositivo através da folha autoportante para laminar o CNT para o dispositivo. O eléctrodo de porta deve ter 2-3 vezes o número de camadas como definido sobre o eléctrodo comum.
   7. Densificar o eletrodo de porta com HFE.
2. Colocar uma pequena gota (≈10 ul) do líquido iónico, N, N-dietil-N-metil-N - (2-metoxietil) tetrafluoroborato de amónio, DEME-BF _4, na parte superior de ambos os eléctrodos de um CNTdos substratos.
3. Coloque cuidadosamente o substrato sem líquido iónico em cima do substrato com um líquido iónico com os eléctrodos de porta e comuns em cima uns dos outros,. Isto é mostrado no último painel da Figura 1.
4. Coloque uma fotomáscara com um tamanho de abertura mais pequeno do que o tamanho do eléctrodo sobre a área activa. Use pequenos grampos para segurar a foto-mascara no local, bem como para manter o dispositivo em conjunto durante o teste.

4. Meça o Dispositivo

1. Transferir o dispositivo para dentro do porta-luvas de medição.
2. Faça as conexões elétricas.
   1. Ligue a fonte de alimentação portão entre o eletrodo comum eo eletrodo de porta com o comum como chão.
   2. Ligar os dois ânodos de ITO a fios que estão ligados a um comutador, o qual permite a selecção de um ou outro ou ambos os ânodos ânodo.
   3. Conecte a saída do interruptor para a entrada da unidade de medida de origem.
   4. Conecte-se ao chão dos meas fonteunidade ure ao eletrodo comum.
3. Meça as características do dispositivo IV, repetindo os seguintes passos para ascender V _Gate.
   1. Definir V _Portão para o próximo valor, a partir de V _Portão = 0 V para V = _Portão 2 V em incrementos de 0,25 V.
   2. Esperar 5 min ou até que a corrente de porta é estabilizado. Idealmente, a corrente de porta deve se estabilizar em torno de 10s de nanoamperes.
   3. Ajuste a chave para ambos os sub-células.
   4. Abra o obturador da lâmpada.
   5. Execute uma varredura de tensão na unidade de medida fonte de volts -1 a 1 volt em cerca de 100 incrementos ou mais.
   6. Execute uma varredura de tensão de 1 volt para -1 volt.
   7. Feche o obturador da lâmpada.
   8. Execute as varreduras de tensão novamente.
   9. Ajuste a chave para o sub-celular da frente.
   10. Repita os passos 4.3.4 a 4.3.8.
   11. Ajuste a chave para o sub-celular de volta.
   12. Repita os passos 4.3.4 a 4.3.8.
4. Calcular os parâmetros do dispositivo.
   1. Encontrar a corrente de curto-circuito (J _SC) de cada sub-celular em cada V _porta, encontrando a corrente produzida pelo dispositivo quando a tensão através do sub-celular é 0 V.
   2. Encontrar a tensão de circuito aberto (V _OC) de cada sub-celular em cada _porta, encontrando V a voltagem produzida pelo dispositivo quando a corrente através do sub-celular é 0 A.
   3. Encontrar a potência máxima de saída a partir da célula solar, multiplicando cada valor de tensão com cada valor actual e seleccionando o valor máximo (mais negativo). Isso pressupõe que mede gerada por foto atual atual como negativo.
   4. Encontre a eficiência de conversão de energia (η), dividindo a potência máxima pelo poder da luz de entrada.
   5. Encontrar o factor de enchimento (FF) é calculada dividindo a força máxima por o produto de J _SC e V _OC.

Resultados

Um dispositivo conjunto formado a partir de polímeros, particularmente polímeros de lacunas banda significativamente diferenciados, diferindo é de interesse prático como esses dispositivos podem absorver a maior faixa espectral da luz. Nesta estrutura do dispositivo, o sub-celular PTB7 é a célula de volta e P3HT-se do sub-celular da frente. Este destina-se a absorver a maior quantidade de luz como o sub-celular P3HT é em grande parte transparente para a luz de comprimento de onda mais absorvida pelo sub-celular P...

Discussão

Os resultados destacam algumas considerações ao projetar células solares em série paralelo. Notavelmente, se uma das sub-células é um mau desempenho, o desempenho do conjunto de afetados negativamente. Os resultados mostram que existem dois efeitos principais. Se uma sub-célula é curto, por exemplo, mostra um comportamento ôhmico, a FF ^T haverá maior do que o FF da sub-célula ruim. J ^T _SC e V ^T _OC serão igualmente afetados. Este é o caso quando...

Materiais

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