Окружающая Метод производства ионно воротами углеродных нанотрубок общим катодом в тандеме органических солнечных элементов

Резюме

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.

Аннотация

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.

Введение

Полимерные полупроводники являются ведущие органическое фотоэлектрические (ОПВ) материалы в связи с высокой поглощающей, хороших транспортных свойств, гибкости и совместимости с температурно-чувствительных субстратов. Эффективность преобразования энергии ОПВ устройств, η, значительно подскочили в последние годы, с эффективностью отдельных клеток выше, чем 9,1% ^1, что делает их более жизнеспособным энергетических технологий.

Несмотря на улучшение η, тонкие оптимальные активный слой толщины устройств ограничить поглощение света и препятствуют надежной изготовление. Кроме того, ширина спектра поглощения света каждого полимера ограничены по сравнению с неорганическими материалами. Сопряжение полимеры различной спектральной чувствительностью обходит эти трудности, что делает тандем архитектур ² необходимо инновационных.

Серия тандемные устройства являются наиболее распространенными архитектура тандем. В этой конструкции, электронный транспорт материалы, справкиаль, необязательно металлический слой рекомбинации, и отверстие транспортный уровень подключить два независимых фотоактивные слоев, называемых суб-клетки. Связывание суб-клеток в последовательной конфигурации увеличивает напряжение разомкнутой цепи комбинированного устройства. Некоторые группы имели успех с дегенеративно легированных транспортных слоев ^{3 - 5,} но больше групп использовали частицы золота или серебра, чтобы помочь рекомбинации электронов и дырок в прослойке ^6,7.

В отличие от этого, параллельные тандемы требуют высокой проводимости электрода, либо анод или катод, соединяющую два активных слоев. Промежуточный слой должен быть очень прозрачным, что ограничивает тандем прослойки серии, содержащие металлические частицы, а тем более для параллельных прослоек тандем, состоящий из тонких непрерывных металлических электродов. Углеродные нанотрубки (УНТ) листы показывают более высокую прозрачность, чем металлических слоев. Так в Нанотех института в сотрудничестве с Симанэ университета, имеет Introduced концепцию использования в качестве межслойной электрода в монолитных, параллельных тандем устройств ^8.

Предыдущие попытки признакам монолитные, параллельные, тандем ОПВ устройств с УНТ листов, функционирующих как прослойки анодов ^8,9. Эти методы требуют особого ухода, чтобы избежать короткого замыкания одного или обоих клеток или повреждения предыдущих слоев при сдаче поздние слои. Новый способ, описанный в данной работе, облегчает изготовление, поместив электрод CNT ​​сверху полимерных активных слоев двух отдельных клеток, а затем ламинированием двух отдельных устройств вместе, как показано на рисунке 1. Этот метод Примечательно, что и устройство, в том числе воздуха -stable CNT катод, могут быть изготовлены полностью в условиях окружающей среды с использованием только сухую и решение обработку.

CNT листы не являются принципиально хорошие катоды, поскольку они требуют н-типа легирующей, чтобы уменьшить работу выхода, чтобы собирать электроны из светочувствительного областисолнечного элемента ^10. Электрический двухслойный зарядки в электролите, такие как ионной жидкости, может быть использована, чтобы сместить работа выхода CNT электродов ^{11 - 14.}

Как описано в предыдущей публикации ¹⁵ и показано на рисунке 2, когда напряжение на затворе (V _Gate) является возрастает, работа выхода CNT общего электрода уменьшается, создавая асимметрию электрода. Это предотвращает скопление отверстие от донора ОПВ в пользу сбора электронов от акцептора ОПВ, а устройства включается, переходя от неэффективного фоторезистора в фотодиод ¹⁵ поведения. Следует также отметить, что энергия используется для зарядки устройства и потери мощности из-за токов утечки затвор тривиальным по сравнению с мощностью, генерируемой солнечной батареи ^15. Ионные стробирования УНТ электродов имеет большое влияние на функцию работы из-за низкой плотности состояний и высокаяПлощадь поверхности к объему в CNT электродов. Аналогичные методы были использованы, чтобы добавлять барьер Шоттки на границе раздела НКТ с н-Si ^16.

протокол

1. индия и олова (ITO) паттерна и очистки

ПРИМЕЧАНИЕ: Использование 15Ω / □ ITO стекла, и покупка или вырезать ITO стекла в размерах, подходящих для центрифугирования и фотолитографии. Это наиболее эффективно выполнить шаги 1,1-1,7 на куске стекла, как большой, насколько это возможно, а затем разрезать его на небольших устройствах. Также обратите внимание, что шаги 1,1-1,7 требуют ITO стекла, чтобы быть ориентированной с ITO-вверх. Это можно легко проверить с настройкой сопротивления мультиметр в.

1. Спин пальто 1 мл S1813 позитивного фоторезиста на ITO-сторону стекла ITO в размере 3000 оборотов в минуту в течение 1 мин. Используйте более сопротивляться для больших кусков стекла, убедитесь, что все стекло с покрытием, и удалить пузырьки перед началом отжима для нанесения покрытий.
2. Отжиг резиста стекла с покрытием, на горячей плите, при 115 ° С в течение 1 мин.
3. Загрузите образец и фотошаблона на контактной выравнивателя.
4. Expose фоторезиста покрытием ITO стекла для утверждения предметовветствующих время. Время экспозиции составляет около 10 сек, но различаются в этот раз на основе интенсивности лампы УФ, типа фоторезиста и толщины.
5. Разработка подложек УФ-воздействию в разработчика MF311. Автоматизированный процесс спин процессора производит самые лучшие и повторяемые результаты, но развитие может быть сделано вручную, как следует.
   1. Submerge подложек УФ-воздействию в течение 1 мин в проявителе, с последующей промывкой в ​​деионизированной (ДИ) воды и сушки с пистолетом азота. Поскольку разработчик теряет силу быстро, замените картридж между образцами, или же увеличить время разработки при повторном разработчику.
6. Протравить субстраты ITO в концентрированной соляной кислоты (HCl). Это занимает от 5-10 мин в зависимости от концентрации HCl. Промыть в дистиллированной водой, сухим, и проверить сопротивление протравленных участков с помощью мультиметра. Если какой-либо проводимость остается, травить в течение более длительного времени.
7. После травления завершена, удалите рhotoresist ацетоном. Обратите внимание, что быстрое удаление фоторезиста предотвращает остаточного HCl из более-травления узорной ITO.
8. При необходимости, сократить травления ITO стеклянных подложек в размерах устройств.
9. Очистить субстраты ITO в ванне ультразвукового в последовательности растворителей - DI вода, ацетон, толуол, метанол, и, наконец, изопропиловый спирт.

2. ОПВ Изготовление Sub-клеток

1. Подготовка P3HT: PC ₆₁ решение BM.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Для наиболее последовательных результатов, подготовить решения в среде азота. Можно следовать этой процедуре в условиях окружающей среды.
   1. Найти и записать массу два чистой, ~ 4 мл стеклянный флакон и шапках, и отмечать их с перманентным маркером, чтобы отличить их от другой.
   2. В атмосфере азота или аргона перчаточной камере, передавать примерно 10 мг поли (3-hexylthiophene-2,5-диил) (P3HT) в одном флаконе, и приблизительно 10 мг фенил-C ₆₁ метиловый эфир масляной кислоты (РС ₆₁ БМ) к другой.
   3. Взвесьте флаконов снова найти массу P3HT и ПК ₆₁ БМ.
   4. Перенесите флаконы с P3HT и ПК ₆₁ БМ в бардачке для остальной части процесса принятия решения.
   5. Добавить магнитной мешалкой в ​​каждый флакон, а затем добавить достаточно хлорбензол друг для создания 45 мг / мл растворы.
   6. Поместите решения на магнитной мешалкой горячей плите при 55 ° С в течение примерно 2 ч или пока растворенные вещества были полностью растворены.
   7. Смешайте равные объемы в P3HT и ПК ₆₁ BM решения вместе, и пусть и смешанный раствор перемешивают в течение еще ​​одного часа до использования.
2. Подготовка PTB7: PC ₇₁ решение BM.
   1. Повторите шаги 2.1.1 для 2.1.4 с 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) и фенил-7,1-масляной кислоты (ПК ₇₁ БМ) вместо P3HT и ПК₆₁ БМ.
   2. Сделать смесь 3% по объему 1,8-diiodooctane (DIO) в хлорбензоле. Эта смесь называется DIO-CB.
   3. Добавить магнитной мешалкой в каждый флакон, а затем добавить достаточное количество DIO-CB к PTB7 флакона иметь 12 мг / мл раствора и достаточно DIO-CB к BM флаконе ПК _71, чтобы иметь 40 мг / мл раствора.
   4. Пусть эти растворы размешать на горячей плите при 70 ° С в течение двух дней.
   5. Смешайте растворы в весовом соотношении PTB7 к ПК ₇₁ BM от 1 до 1,5.
   6. Пусть смешанный раствор перемешивали в течение еще одного часа при 70 ° С до использования.
3. Фильтр поли (3,4-этилендиокситиофен): поли (стиролсульфонат) (PEDOT: PSS) через размер нейлоновый фильтр 0,45 мкм пор. Примечание эта процедура использует P VP AI4083.
4. Спин Пальто Активные слои.
   1. Поместите очищенные ITO субстраты, ITO-стороной вверх, в уборщицей УФ-озонового в течение 5 мин.
   2. Спин-пальто 120 мкл отфильтрованного PEDOT: PSS на УФ-обработанная озоном, с рисунком ITO- стеклянную подложкус при 3000 оборотах в минуту в течение 1 мин. Это должно дать нм толстый слой 30.
   3. Отжиг PEDOT: PSS с покрытием ITO субстратов в течение 5 мин при 180 ° С.
   4. Спин-пальто 70 мкл смешанного P3HT: PC ₆₁ BM решение на PEDOT: PSS покрытием ITO подложек примерно 1000 оборотов в минуту в течение 1 мин. Вары скорость по мере необходимости депонировать нм активный слой 200.
   5. Отжиг P3HT: субстраты ПК ₆₁ БМ покрытием при 170 ° С в течение 5 мин. Результаты могут отличаться по оптимальной температуры отжига.
   6. Спин-пальто 70 мкл смешанного PTB7: PC ₇₁ BM решение на PEDOT: PSS покрытием ITO подложек примерно 700 оборотов в минуту в течение 1 мин. Вары скорость по мере необходимости депонировать нм активный слой 100.
   7. Загрузите PTB7: PC ₇₁ BM покрытием подложки в высоком вакууме (<2 х 10 ^-6 Торр) камеру для удаления остаточного DIO. Как правило, оставляют образцы в камере O / N.

3. Изготовьте устройство Tandem

<ол>

Ламинат УНТ электроды.

1. Нарежьте субстраты PTB7 и P3HT пополам, чтобы сделать тандем устройство. Специализированный шаблон ITO не потребует этот шаг. Шаблон ITO должен иметь по меньшей мере два параллельных ИОО электродов проходит от одной кромки к одному мм от друга.
2. Первый подготовить PTB7 и P3HT покрытием субстраты по утирая полимер и PEDOT от краев стекла, и подвергать ITO полосу, которая будет использоваться в качестве общего электрода, как показано на первой панели рисунке 1.
3. Ламинат НКТ общий электрод сверху электродов PTB7 и P3HT. Нанесите ОСУНТ фильм, поместив сторону CNT из фильтровальной бумаги на устройстве, нажав мягко, а затем пилинг фильтровальную бумагу прочь. Это показано на второй панели, показанной на фиг.1.
4. Уплотнить CNT электрод на поверхности с применением метокси-нонафторбутан (C ₄ F ₉ ОСН ₃₎ (HFE) и путем нанесения на CNT с небольшим Amouнт жидкости, а затем давая ему высохнуть.
5. Стереть полимера и CNT в верхней части ITO и стекла, которые будут иметь электрод затвора, как показано на третьей панели, показанной на фиг.1. Удалить все полимера из стекла, чтобы предотвратить утечку ворота с бритвенным лезвием.
6. Ламинат электрод затвора CNT на очищенную область субстратов в PTB7 и P3HT покрытием. Ламинат в MWCNT, потянув от края МУНТ лесу с бритвой, и пусть лист свободно стоять между некоторыми капиллярных трубок. Передайте устройство через автономной листа для ламинирования НКТ на устройство. Электрод затвора должна иметь 2-3 раз превышает число слоев, как это предусмотрено на общий электрод.
7. Уплотнения электрода затвора с HFE.

Поместите небольшую каплю (≈10 мкл) из ионной жидкости, N, N -Diethyl- N-метил-N - (2-метоксиэтил) тетрафторборат аммония, ДЕМЕ-BF _4, поверх обоих электродах CNT однимиз субстратов.

Осторожно помещают на подложку без ионной жидкости на верхней части подложки с ионной жидкостью с общими и электродов затвора на верхней части друг-друга. Это показано на последней панели, показанной на фиг.1.

Поместите фотошаблона с размером отверстий меньшего, чем размер электрода над активной зоной. Используйте маленькие клипы держать фотошаблона в месте, а также провести устройство вместе во время тестирования.

4. Измерьте устройства

1. Перевести устройство в измерительной перчаточного ящика.
2. Установите электрические соединения.
   1. Подключите силовой ворота подачу между общим электродом и электродом затвора с общим как землей.
   2. Соедините два анодов ITO для проводов, которые подключены к коммутатору, который позволяет выбор либо анода или обоих анодов.
   3. Подключите выход переключателя на вход в источник единицу измерения.
   4. Соедините землю из исходных измЮр блок с общим электродом.
3. Измерьте ВАХ прибора, повторяя следующие шаги для возрастанию V _{ворота.}
   1. Установите V _ворота к следующему значению, начиная с V _Gate = 0 В до V _Gate = 2 V с шагом 0,25 В.
   2. Подождите 5 минут или до тех пор, ток затвора не стабилизируется. В идеале, ток затвора должна стабилизироваться около 10s из наноампер.
   3. Установите переключатель в обоих суб-клеток.
   4. Откройте лампы затвор.
   5. Запуск развертки напряжения на источник единицу измерения от -1 В до 1 вольта около 100 с шагом или более.
   6. Запуск развертки напряжения от 1 вольта до -1 вольт.
   7. Закройте лампы затвор.
   8. Запуск развертки напряжения снова.
   9. Установите переключатель в передней югу от клетки.
   10. Повторите шаги 4.3.4 для 4.3.8.
   11. Установите переключатель в задней югу от клетки.
   12. Повторите шаги 4.3.4 для 4.3.8.
4. Рассчитать параметры устройства. <ол>
5. Найти ток короткого замыкания (J _SC) каждого суб-ячейки на каждом V _ворот, найдя ток, создаваемый устройством, когда напряжение на суб-ячейки 0 В.
6. Найти напряжения холостого (V _OC) каждого суб-ячейки на каждом V _ворот, находя напряжение производимого устройства, когда ток через суб-ячейки 0 А.
7. Найти максимальное выходной мощности солнечного элемента путем умножения каждого значения напряжения с каждого текущего значения и выбора максимального (наиболее отрицательное) значение. При этом предполагается, что измеряется фотогенерированных текущий как отрицательный ток.
8. Найти эффективность преобразования мощности (η) путем деления максимальной мощности по мощности входного света.
9. Найти коэффициент заполнения (FF) путем деления максимальной мощности на произведение J _SC и V _OC.

Результаты

Тандем устройство формируется из различных полимеров, в частности полимеры значительно отличающихся шириной запрещенной зоны, представляет практический интерес, поскольку эти устройства могут поглощать наибольшее спектральный диапазон света. В этой структуре устройства, PTB7 суб-кле...

Обсуждение

Результаты свидетельствуют несколько соображений при проектировании параллельно тандемных солнечных батарей. Примечательно, если один из суб-клеток работает плохо, производительность тандема в негативное влияние. Результаты показывают, что существует два основных эффектов. Если од...

Материалы

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