Tandem Organik Güneş Pilleri bir iyonik Geçitli Karbon Nanotüp Ortak Katot Üretimi için ortam Yöntemi

Özet

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.

Özet

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.

Giriş

Polimer yarı iletkenler nedeniyle ısıya hassas yüzeylerde yüksek ekstensiyonu iyi ulaşım özellikleri, esneklik ve uyumluluk önde gelen organik fotovoltaik (OPV) malzemelerdir. OPV aygıt, güç dönüşüm verimliliği, η, onları giderek sürdürülebilir bir enerji teknolojisi, yapım 9.1% ¹ gibi yüksek tek hücre verimleri ile, son yıllarda önemli ölçüde atladı.

Η gelişmelere rağmen, cihazların ince optimum etkin katman kalınlıkları ışık emilimini sınırlamak ve güvenilir imalat engel. Buna ek olarak, her bir polimerin ışık emiliminin spektrum genişliği, inorganik malzemelere kıyasla oldukça sınırlıdır. Spektral duyarlılığı, farklı eşleştirme polimerleri tandem mimarileri ² gerekli bir yenilik yaparak, bu zorlukları atlar.

Serisi tandem cihazlar en yaygın tandem mimarisi vardır. Bu tasarımda, bir elektron nakil malzemelerve arkadaşları, isteğe bağlı bir metal rekombinasyon tabakası ve bir delik taşıma katmanı alt-hücreler olarak adlandırılan iki ayrı foto katman bağlanır. Bir seri konfigürasyonda bir alt-hücre bağlama kombine aygıtın açık devre gerilimi arttırır. Bazı gruplar degenerately katkılı taşıma katmanları ³ ile başarı vardı ^{- 5,} ama daha grupları katlarında ^6,7 delik ve elektronların rekombinasyon yardım etmek için altın veya gümüş parçacıkları kullandık.

Bunun aksine, paralel tandemler iki aktif tabakasının birleştirilmesi, yüksek iletkenlik elektrotu ya anot ya da katot gerektirir. Ara katman metalik parçacıklar içeren seriye ait ardışık arakatmanlarının azaltır ve daha da çok ince, sürekli metal elektrotlar oluşan paralel ardışık ara katmanları için bulunacak şekilde oldukça şeffaf olmalıdır. Karbon nanotüpler (CNT) yaprak metal tabakalardan daha yüksek şeffaflık gösteriyor. Nanotech Enstitüsü Yani, Shimane Üniversitesi ile işbirliği içinde, int varMonolitik, paralel ardışık cihazlarda ⁸ ara kat elektrot olarak kullanma yaklaşımını ortaya roduced.

Önceki çabaları interlayer anot ^8,9 olarak işlev CNT levhalar ile monolitik, paralel, tandem OPV cihazlar özellikli. Bu yöntemler daha sonra paso bir veya hücrelerden ya da zararlı önceki tabakaların kısa devre önlemek için özel bakım gerektirir. Bu yazıda tarif edilen yeni bir yöntem, iki tek hücre polimerik aktif tabakalarının üstüne CNT elektrot yerleştirilerek imalatı kolaylaştırır, Şekil 1 'de gösterildiği gibi daha sonra iki ayrı cihaz lamine. Bu yöntem, bir hava dahil olmak üzere, cihaz olarak dikkat çekicidir -Kararlı CNT katot, sadece kuru ve çözüm işleme istihdam ortam koşullarında tamamen imal edilebilir.

Bunlar, fotoaktif bölgeden elektronları toplamak amacıyla çalışma fonksiyonu azaltmak için N-tipi katkılama gerektiren CNT sayfaları, gerçekte iyi katot değildirBir güneş hücresinin ^{10. 14 -} Bir elektrolit içinde şarj çift katmanlı elektrik, bu tür bir iyonik sıvı, CNT iş fonksiyonlu ¹¹ elektrotlar kaydırmak için kullanılabilir.

Kapı voltajı (V _Kapı) artar, Şekil 2, bir önceki kağıt ^15'te açıklandığı ve gösterildiği gibi, CNT ortak elektrotun iş fonksiyonlu elektrot asimetri yaratmak, azaltılır. Bu OPV en alıcısı elektronları toplama lehine OPV en donörden delik toplanmasını engeller ve cihazlar fotodiyot ¹⁵ davranış içine verimsiz photoresistor değişen, AÇIK. Aynı zamanda, enerji güneş pili ¹⁵ tarafından üretilen enerji önemsiz karşılaştırılır cihazı ve kapak kaçak akımlar nedeniyle kaybedilen enerji şarj etmek için kullanılabilir olduğunu belirtmek gerekir. CNT elektrotlar iyonik yolluk nedeniyle devletlerin düşük yoğunluk ve yüksek için çalışma fonksiyonu üzerinde büyük bir etkiye sahiptirCNT elektrot hacim oranı yüzey alanı. Benzer yöntemler, N-Si ¹⁶ CNT ara yüzeyinde bir Schottky bariyerini geliştirmek üzere kullanılmaktadır.

Protokol

1. İndiyum Kalay Oksit (ITO) Desenlendirme ve Temizlik

NOT: 15Ω / □ İTO cam ve satın alma ya da spin kaplama ve fotolitografiyle için uygun boyutlarda ITO cam kesti. Mümkün olduğunca büyük bir cam parçası üzerinde adımları 1,1-1,7 gerçekleştirmek, ve sonra daha küçük cihazların içine kesmek için en etkili yöntemdir. Ayrıca 1.1-1.7 ITO-tarafı yukarı dönük olmak üzere İTO cam gerektiren adımları unutmayın. Bu multimetrenin direnç ayarı ile kolayca kontrol edilebilir.

1. 1 dakika boyunca 3000 rpm hızında İTO camın İTO-yüzüne S1813 pozitif fotodirenç Spin kat 1 mi. , Büyük cam parçaları için direnmek daha kullanın tüm cam kaplı olduğundan emin olun ve sıkma kaplayıcıyı başlamadan önce varsa kabarcıkları.
2. 1 dakika boyunca 115 ° C de, sıcak bir plaka üzerinde, kaplanmış cam karşı yeniden birleşir.
3. Örnek ve temas hizalayıcısı üzerine fotomaske yükleyin.
4. Bir onaylama için ışığa dirençli kaplanmış İTO cam Açığauygun zaman. Maruz kalma süresi 10 saniye civarındadır, ancak UV lambası yoğunluğu, fotorezist Çeşidi ve kalınlığına göre, bu zaman değişir.
5. MF311 geliştirici UV maruz kalan yüzeylerde geliştirin. Bir dönüş işlemcinin otomatik işlemleri en iyi ve en tekrarlanabilir sonuçlar üretir, ancak takip kalkınma elle yapılabilir.
   1. Geliştirici 1 dakika boyunca UV maruz kalan tabakaları daldırın, deiyonize (Dİ) su içinde durulama ve bir azot tabancası ile kurutuldu. Geliştirici hızlı gücünü kaybeder, çünkü örnekler arasındaki geliştirici değiştirin, ya da geliştirici yeniden ne zaman alternatif geliştirme süresini artırın.
6. Konsantre edilmiş hidroklorik asit (HCI) İTO substratlar etch. Bu, HCl konsantrasyonuna bağlı olarak, 5-10 dakika arası sürer. Kuru DI su içinde durulayın ve bir multimetre ile kazınmış kısımlarının mukavemetliliğini test edin. Herhangi bir iletkenlik kalırsa, daha uzun bir süre aşınmaya.
7. Aşındırma işlemi tamamlandıktan sonra, p kaldırmaAseton ile hotoresist. Fotorezist bu istemi çıkarılması desenli ITO gravür fazla kalıntı HCl engeller.
8. Gerekirse, aygıt boyutları içine kazınmış İTO cam yüzeylerde kesti.
9. Son olarak izopropil alkol DI su, aseton, tolüen, metanol, ve - çözücülerin bir dizisinde bir banyo ultrasonikatör içinde İTO yüzeylerin temizlenmesi.

2. OPV Alt hücre Fabrikasyon

1. PC ₆₁ BM çözüm: P3HT hazırlayın.
   NOT: En tutarlı sonuçlar için, bir azot ortamında çözümleri hazırlamak. Bu ortam koşullarında bu prosedürü takip etmek mümkündür.
   1. Bul ve iki temiz, ~ 4 ml cam şişe ve kapaklar kütlesini yazmak ve başka onları ayırmak için kalıcı bir kalem ile işaretleyin.
   2. (P, bir nitrojen veya argon eldiven kutusu içinde, bir şişeye poli (3-hexylthiophene-2,5-diil) (P3HT) yaklaşık olarak 10 mg transferi ve fenil-Cı ₆₁ -butirik asit metil esterin sadece yaklaşık olarak, 10 mgDiğer C ₆₁ BM).
   3. P3HT ve PC ₆₁ BM kütlesini bulmak için tekrar şişeleri tartılır.
   4. Çözüm verme sürecinin geri kalanı için bir torpido gözü içine P3HT ve PC ₆₁ BM ile şişeleri aktarın.
   5. Her bir şişeye manyetik bir karıştırma çubuğu ilave edin ve daha sonra 45 mg / ml çözeltinin oluşturmak için her kadar klorobenzen ekleyin.
   6. Yaklaşık 2 saat boyunca ya da çözücüler tamamen çözülene kadar 55 ° C'de manyetik karıştırma sıcak bir plaka üzerinde çözüm yerleştirin.
   7. BM solüsyonları birbirine P3HT ve PC ₆₁ eşit hacimlerini karıştırın ve kullanımdan önce, bir saat daha karıştırılmış solüsyon karışmaya bırakıldı.
2. PC ₇₁ BM çözüm: PTB7 hazırlayın.
   1. Tekrar ile 2.1.4 için 2.1.1 adımları 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}) Bunun yerine P3HT ve PC (PTB7) ve fenil-7,1-butirik asit metil ester (PC ₇₁ BM)₆₁ BM.
   2. Klorobenzen hacim 1,8-diiodooctane (DIO) ile% 3 arasında bir karışımını yapın. Bu karışım, DIO-Cs olarak adlandırılır.
   3. 40 mg / ml solüsyon için PC ₇₁ BM şişeye, bir 12 mg / ml çözelti ve yeterli, DIO-CB için PTB7 şişeye kadar, DIO-CB eklemek daha sonra her bir şişeye manyetik bir karıştırma çubuğu ilave edin ve.
   4. Bu çözüm, iki gün boyunca 70 ° C'de bir sıcak plaka üzerinde karıştırılmıştır edelim.
   5. 1.5 PC ₇₁ 1 BM için PTB7 bir ağırlık oranında çözümler karıştırın.
   6. Kullanmak için 70 ° C'de bir saat daha karıştırılmış çözelti, karıştırma öncesinde izin verin.
3. Filtre poli (3,4-etilendioksitiyofen) poli (sitiren) (PEDOT: PSS), bir 0.45 um gözenek boyutlu naylon filtre yolu ile. Bu prosedür P VP AI4083 kullanır.
4. Spin Coat Aktif katmanları.
   1. Temizlenmiş İTO alt tabakalar yer 5 dakika boyunca UV-Ozon süpürge içine kadar İTO-yan.
   2. Spin-ceket filtrelenmiş PEDOT 120 ul: PSS tedavi UV-ozon üzerine, ITO- cam tabakanın desenli1 dakika için 3000 rpm'de s. Bu, 30 nm kalınlığında bir tabaka vermesi gerekir.
   3. 180 ° C'de 5 dakika boyunca, PSS kaplanmış İTO substratlar: PEDOT tavlanması.
   4. Spin-kat karışık P3HT 70 ul: PC ₆₁ BM çözeltisi PEDOT üzerine: PSS kaplanmış İTO 1 dakika boyunca yaklaşık 1000 rpm'de alt tabakalar. 200 nm kalınlığında olarak aktif bir tabakanın kaplanması için gerekli olarak oranını değişir.
   5. P3HT tavlanması: Bilgisayar ₆₁ BM kaplanmış alt tabakaları, 170 ° C'de 5 dakika daha karıştırıldı. Sonuçlar, uygun tavlama sıcaklığında değişebilir.
   6. Spin-kat karışık PTB7 70 ul: PC ₇₁ BM çözeltisi PEDOT üzerine: PSS kaplanmış İTO 1 dakika boyunca yaklaşık 700 rpm'de alt tabakalar. 100 nm kalınlığında olarak aktif bir tabakanın kaplanması için gerekli olarak oranını değişir.
   7. PTB7 yükleyin: PC, yüksek vakum _71. BM kaplı yüzeylerde (<2 x 10 ^-6 Torr) odasını artık DIO çıkarmak için. Tipik haliyle, bölme O / N örneklerini bırakın.

3. Tandem Cihazı Üretiyor

1. Laminat CNT elektrotlar.
   1. Bir tandem cihaz yapmak için ikiye PTB7 ve P3HT yüzeylerde kesin. Bir uzman İTO desen bu adımı ihtiyaç olmaz. İTO modeli, en az iki paralel İTO uzakta diğerinden mm bir kenarından uzanan elektrodlardır olmalıdır.
   2. Birinci cam kenarlarından polimer ve PEDOT uzak silerek PTB7 ve P3HT kaplanmış alt-tabakaların hazırlanması, ve Şekil 1 'deki birinci panel görüldüğü gibi ortak bir elektrot olarak kullanılır İTO şeridi maruz bırakmaktadır.
   3. PTB7 ve P3HT elektrotların üstüne CNT ortak bir elektrot Laminat. , Cihaz üzerindeki filtre kağıdının CNT tarafına yerleştirerek hafifçe bastırarak ve sonra uzak filtre kağıdı soyulması ile bir SWCNT sürün. Bu, Şekil 1 'deki ikinci panelde gösterilmektedir.
   4. Metoksi-nonaflorobütan uygulayarak yüzeye CNT elektrot yoğunlaştırılması _(C4 F _{9 OCH3)} (HFE) ve küçük Amou ile CNT kaplayaraksıvının nt ve sonra kapalı kurumasına izin.
   5. . Şekil 1 'de, üçüncü panelinde gösterildiği gibi, kapı elektroduna sahip olacak İTO üst ve cam, polimer ve CNT silin bir tıraş bıçağı ile kapı sızıntıyı önlemek için camın tüm polimer çıkarın.
   6. PTB7 ve P3HT kaplanmış alt-tabakaların temizlenmiş alanı üzerine CNT kapı elektroduna Laminat. Bir jilet ile MWCNT orman kenarından çekerek MWCNT lamine ve sac bazı kılcal tüpler arasında serbestçe bekletin. Cihaza CNT laminat bağlantısız tabaka içinden cihazı geçirin. Ortak elektrot üzerine belirtildiği gibi kapı elektrot tabakalar 2-3 kat daha fazla olması gerekir.
   7. HFE'nin ile kapı elektrodu yoğunlaştırmak.
2. Iyonik sıvının küçük bir damla (≈10 ul) yerleştirin N, N -dietil-N N-metil-- (2-metoksietil) biri CNT elektrotların her ikisininde en üstüne amonyum tetrafluoroborat, _deme-BF4Substratların.
3. Dikkatle her-üst üste yaygın ve kapı elektrot iyonik sıvı ile alt-tabakanın üzerine iyonik sıvı olmadan yerleştirilmesidir. Bu, Şekil 1 'in son panelinde gösterilir.
4. Aktif bir alanı üzerinde, elektrot boyutundan daha küçük bir delik boyutu olan bir ışık-maskesi yerleştirin. Yerinde fotomaske tutmak yanı sıra test sırasında birlikte cihazı tutmak için küçük klipleri kullanın.

4. Cihazı ölçün

1. Ölçüm izolasyon kutusu içine cihazı aktarın.
2. Elektrik bağlantılarını yapın.
   1. Ortak elektrot ve toprak gibi ortak ile kapı elektrot arasındaki kapı güç kaynağını bağlayın.
   2. Anot veya her iki anot birinin seçilmesini sağlayan anahtarı bağlı tellere iki İTO tutyaları bağlayın.
   3. Kaynak ölçü biriminin girişine anahtarının çıkışını bağlayın.
   4. Kaynak beden ölçüsü zeminini bağlayınOrtak elektrot URE birimi.
3. V _Gate artan için aşağıdaki adımları yineleyerek cihazın IV özelliklerini ölçün.
   1. 0.25 V. artışlarla V _Gate V _{Kapısı'ndan} = 2 V = 0 V başlayarak, bir sonraki değere V _Gate ayarlayın
   2. 5 dakika bekleyin ya da kapı akımı stabilize olana kadar. İdeal olarak, kapı akımı nanoamper 10s civarında istikrar gerekir.
   3. Alt-hücrelerinin her ikisi için anahtarını ayarlayın.
   4. Lamba deklanşöre açın.
   5. Yaklaşık 100 artışlarla veya daha fazla 1 volt -1 volt kaynak ölçü birimi üzerinde bir gerilim taraması çalıştırın.
   6. -1 Volt 1 volt gerilim taraması çalıştırın.
   7. Lamba deklanşöre kapatın.
   8. Yeniden gerilim süpürür çalıştırın.
   9. Ön alt hücreye getirin.
   10. Tekrar 4.3.8 için 4.3.4 adımları.
   11. Arka alt hücreye getirin.
   12. Tekrar 4.3.8 için 4.3.4 adımları.
4. Cihaz parametreleri hesaplamak.
   1. Alt hücre üzerindeki gerilim 0 V olduğu zaman, cihaz tarafından üretilen akım bularak her V _Gate her alt hücrenin kısa devre akımı (J _SC) bulun
   2. Alt-hücre üzerindeki akım 0 A olduğunda, cihaz tarafından üretilen voltaj bularak her V _Gate her alt hücrenin açık devre gerilimi (V _OC) bulun
   3. Her akım değeri, her voltaj değerini çarparak ve maksimum (en olumsuz) değer seçerek güneş hücresinden maksimum güç çıkışı bulun. Bu bir fotoğraf oluşturulan akım gibi olumsuz akımını ölçen varsayar.
   4. Giriş ışık gücü ile maksimum güç bölünmesi ile güç dönüşüm verimliliği (η) bulabilirsiniz.
   5. J _SC ve V _OC ürünün maksimum güç bölünmesi ile doldurma faktörü (FF) bulabilirsiniz.

Sonuçlar

Bu cihazlar ışık büyük bir aralığa emebilen polimerler, önemli ölçüde farklı bant aralıkları özellikle polimerleri, farklı meydana gelen bir ikili cihaz pratik bir ilgi çekmektedir. Bu cihaz yapıda, PTB7 alt hücre arka hücredir ve P3HT ön alt-hücresidir. P3HT alt hücre PTB7 alt hücre tarafından emilen daha uzun dalga boyu ışık için büyük ölçüde saydam olduğu için bu ışık büyük miktarını emmek üzere tasarlanmıştır. Tandem, ön veya sırasıyla geri hücreye atıfta zaman net...

Tartışmalar

Paralel tandem güneş hücreleri tasarlarken sonuçları birkaç hususlar vurgulayın. Alt-hücrelerinin bir kötü çalışıyorsa Özellikle, tandem performans olumsuz etkilenir. Sonuçlar iki ana etkisi olduğunu göstermektedir. Bir alt-hücre kısa devre ise, örneğin, ohmik davranış gösterir, FF ^T kötü alt hücre FF daha yüksek olacaktır. J ^T _SC ve V ^T _OC benzer etkilenecektir. V _Kapı düşüktür ve P3HT alt hücre üzerinde aç?...

Malzemeler

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