مراقبة التشكل للناقلة متغاير قابلة للطباعة بالكامل الخلايا الشمسية العضوية، غير العضوية وبناء على تي-آلكوكسيد وشبه الموصلة بوليمر
Summary
ووصف طريقة ل، وخلايا للطباعة تماما وخالية من الفوليرين درجة عالية من الهواء مستقر الأكبر-متغاير الشمسية على أساس alkoxides تي باسم متقبل الإلكترون و-التبرع الإلكترون البوليمر تلفيق هنا. وعلاوة على ذلك، يتم الإبلاغ عن طريقة للسيطرة على التشكل من طبقة متفاعل من خلال ضخامته الجزيئية وحدات تي آلكوكسيد.
Abstract
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.
Introduction
وتعتبر الأجهزة الضوئية العضوية مصادر واعدة للطاقة المتجددة بسبب تكلفتها التصنيع منخفضة وخفيفة الوزن 1-7. وبسبب هذه المزايا، تم مغمورة عدد كبير من العلماء في هذا المجال واعدة. في العقد الماضي،-توعية صبغ، حققت العضوية الأغشية الرقيقة، والخلايا الشمسية توعية perovskite تقدما كبيرا في كفاءة تحويل الطاقة في هذا المجال 8.
على وجه التحديد، والخلايا الشمسية الرقيقة العضوية وBHJ الأغشية الرقيقة تكنولوجيا الخلايا الشمسية العضوية هي حلول ناجعة وفعالة من حيث التكلفة لاستخدام الطاقة الشمسية. وعلاوة على ذلك، وصلت كفاءة تحويل الطاقة أكثر من 10٪ مع استخدام البوليمرات منخفضة الفرقة الفجوة باسم المانحة الإلكترون والفوليرين المشتقات مثل متقبل الإلكترون (فينيل-C 61 -Butyric-حمض الميثيل استر: [60] PCBM أو فينيل-C 71 -Butyric-حمض الميثيل استر: [70] PCBM) 9-11. وعلاوة على ذلك، فإن بعض الباحثين حذكرت افي بالفعل أهمية هيكل BHJ في طبقة متفاعل، التي شيدت مع البوليمرات منخفضة الفرقة الفجوة والمشتقات الفوليرين للحصول على الكفاءة الكلية عالية. ومع ذلك، المشتقات الفوليرين مراعية للهواء. لذلك، لا بد من وضع المواد قبول الإلكترون مستقر الهواء كبديل. وتقارير قليلة اقترح سابقا أنواع جديدة من الخلايا الضوئية العضوية التي تستخدم نوع ن البوليمرات شبه الموصلة أو أكاسيد المعادن كما يقبلون الإلكترون. دعمت هذه التقارير تنمية، وخلايا مستقرة هواء خال من الفوليرين العضوية الأغشية الرقيقة الشمسية 12-15.
ومع ذلك، وعلى النقيض من الفوليرين أنظمة أو نوع ن أنظمة شبه الموصلة البوليمر، والحصول على الأداء المرضي للهيكل BHJ في طبقة متفاعل، التي لديها فصل الاتهام وقدرات نقل المسؤول، من الصعب في أنظمة أكسيد المعادن 16-17. وعلاوة على ذلك، المشتقات الفوليرين ونوع ن البوليمرات شبه الموصلة لها ذوبان عاليةفي العديد من المذيبات. لذلك، فمن السهل للسيطرة على التشكل من طبقة متفاعل عن طريق اختيار الحل الحبر مثل المذيبات، والذي هو مقدمة للطبقة متفاعل 18-20. في المقابل، في حالة الأنظمة آلكوكسيد المعدن الذي يستخدم في تركيبة مع البوليمر التبرع الإلكترون، سواء أشباه الموصلات هي غير قابلة للذوبان في المذيبات تقريبا. وذلك لأن alkoxides المعدنية ليس لديها القابلية للذوبان عالية في المذيب. ولذلك، فإن الانتقائية من المذيبات للسيطرة على التشكل منخفضة للغاية.
في هذه المقالة، نحن الإبلاغ عن طريقة للسيطرة على التشكل من طبقة متفاعل باستخدام ضخامته الجزيئية لصنع الخلايا الشمسية للطباعة ودرجة عالية من الهواء مستقر BHJ. نحن تصف أهمية مراقبة التشكل لتقدم الخلايا الشمسية BHJ خالية من الفوليرين.
Protocol
Representative Results
Discussion
للاستفادة من ضخامته الجزيء في هذا الأسلوب، فإنه من المهم أن نعرف الظروف لتشكيل الفيلم طلاء زيادة ونقصان. أولا، يجب أن تكون من نوع p و نوع ن أشباه الموصلات قادرة على أن يذوب في المذيبات. عندما تبقى بعض المواد، وسوف تصبح نواة كبير من المجالات في طبقة متفاعل. من المستحسن ا…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وأيد هذا العمل جزئيا JSPS KAKENHI منحة رقم 25871029، ومؤسسة نيبون ورقة زجاج لعلوم المواد والهندسة، ومركز توتشيغي الترويج الصناعي. كما ساعد المعهد الوطني للتكنولوجيا، وياما كلية، مع تكاليف نشر هذا المقال.
Materials
| Ti(IV) isopropoxide, 97% | Sigma Aldrich | 205273 | |
| Ti(IV) ethoxide | Sigma Aldrich | 244759 | Technical grade |
| Ti(IV) butoxide, 97% | Sigma Aldrich | 244112 | Reagent grade |
| Ti(IV) butoxide polymer | Sigma Aldrich | 510718 | |
| Poly[2,7-(9,9-dioctylfluorene)-alt-4,7-bis(thiophen-2-yl)benzo-2,1,3-thiadiazole] (PFO-DBT) | Sigma Aldrich | 754013 | |
| [6,6]-phenyl-C61 butyric acid methyl ester ([60]PCBM) 99.5% | Sigma Aldrich | 684449 | Research grade |
| poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-poly(styrenesulfonate) (PEDOT-PSS) | Heraeus | Clevios S V3 | |
| 1N Hydrochloric acid | Wako | 083-01095 | |
| Chlorobenzene 99.0% | Wako | 032-07986 | |
| Acetone 99.5% | Wako | 016-00346 | |
| Indium-tin oxide (ITO)-coated glass substrate | Geomatec | 0002 | 100×100×1.1t (mm) |
| Glass substrate | Matsunami Glass | S7213 | 76×26×1.2t (mm) |
| Cotton tail | As one | 1-8584-16 | |
| Epoxy resin | Nichiban | AR-R30 | |
| Plastic spatula | As one | 2-3956-02 | |
| Ultrasonic cleaner | As one | AS482 | |
| Magnetic hot stirrer | As one | RHS-1DN | |
| Ceramic hotplate | As one | CHP-17DN | |
| Spin coater | Kyowariken | K-359 S1 | |
| Vacuum pump | ULVAC | DA-30S | |
| UV-O3 cleaner | Filgen | UV253E | |
| Screen printer | Mitani Electronics | MEC-2400 | |
| Ultrasonic Soldering system | Kuroda Techno | SUNBONDER USM-5 | |
| Direct-current voltage and current source/monitor integrated system | San-Ei Electric | XES-40S1 | |
| Scanning electron microscope | JEOL Ltd. | JSM-7800 |
References
- Price, C. S., Stuart, C. A., Yang, L., Zhou, H., You, W. Fluorine substituted conjugated polymer of medium band gap yields 7% efficiency in polymer-fullerene solar cells. J. Am. Chem. Soc. 133 (12), 4625-4631 (2011).
- Liang, Y. Y., et al. For the bright future-Bulk heterojunction polymer solar cells with power conversion efficiency of 7.4%. Adv. Mater. 22, 135-138 (2010).
- Chu, T. -. Y., et al. Bulk heterojunction solar cells using thieno[3,4-c]pyrrole-4,6-dione and dithieno[3,2-b:2′,3′-d]silole copolymer with a power conversion efficiency of 7.3%. J. Am. Chem. Soc. 133 (12), 4250-4253 (2011).
- Zhou, H., et al. Development of fluorinated benzothiadiazole as a structural unit for a polymer solar cell of 7% efficiency. Angew. Chem. Int. Ed. 50 (13), 2995-2998 (2011).
- Janssen, J. A. R., Nelson, J. Factors limiting device efficiency in organic photovoltaics. Adv. Mater. 25 (13), 1847-1858 (2012).
- Nelson, J. Polymer:fullerene bulk heterojunction solar cells. Mater. Today. 14 (10), 462-470 (2011).
- He, Z., Zhong, C., Su, S., Xu, M., Wu, H., Cao, Y. Enhanced power-conversion efficiency in polymer solar cells using an inverted device structure. Nat. Photonics. 6, 591-595 (2012).
- Baena, J. P. C., et al. Highly efficient planar perovskite solar cells through band alignment engineering. Energy Environ. Sci. 8, 2928-2934 (2015).
- Shuttle, G. C., Hamilton, R., O’Regan, B. C., Nelson, J., Durrant, R. J. Charge-density-based analysis of the current-voltage response of polythiophene/fullerene photovoltaic devices. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 107, 16448-16452 (2010).
- Dibb, G. F. A., Kirchartz, T., Credgington, D., Durrant, R. J., Nelson, J. Analysis of the relationship between linearity of corrected photocurrent and the order of recombination in organic solar cells. J. Phys. Chem. Lett. 2 (19), 2407-2411 (2011).
- Maurano, A., et al. Transient optoelectronic analysis of charge carrier losses in a selenophene:fullerene blend solar cell. J. Phys. Chem. C. 115, 5947-5957 (2011).
- Yuan, Y., Michinobu, T., Oguma, J., Kato, T., Miyake, K. Attempted inversion of semiconducting features of platinum polyyne polymers: A new approach for all-polymer solar cells. Macromol. Chem. Phys. 214 (13), 1465-1472 (2013).
- Granström, M., et al. Laminated fabrication of polymeric photovoltaic diodes. Nature. 395, 257-260 (1998).
- Hal, A. P., et al. Photoinduced electron transfer and photovoltaic response of a MDMO-PPV:TiO2 bulk-heterojunction. Adv. Mater. 15 (2), 118-121 (2003).
- Das, K. S., et al. Controlling the processable ZnO and polythiophene interface for dye-densitized thin film organic solar cells. Thin Solid Films. , 302-307 (2013).
- Campoy-Quiles, M., et al. Morphology evolution via self-organization and lateral and vertical diffusion in polymer:fullerene solar cell blends. Nature Materials. 7, 158-164 (2008).
- Schmidt-Hansberg, B., et al. Moving through the phase diagram: morphology formation in solution cast polymer-fullerene blend films for organic solar cells. ACS Nano. 5 (11), 8579-8590 (2011).
- Hou, Q., et al. Novel red-emitting fluorene-based copolymers. J. Mater. Chem. 12, 2887-2892 (2002).
- Zheng, L., et al. Synthesis of C60 derivatives for polymer photovoltaic cell. Synth. Met. 135, 827-828 (2003).
- Svensson, M., et al. High-performance polymer solar cells of an alternating polyfluorene copolymer and a fullerene derivative. Adv. Mater. 15 (12), 988-991 (2003).
- Kato, T., et al. Morphology control for highly efficient organic-inorganic bulk heterojunction solar cell based on Ti-alkoxide. Thin Solid Films. 600, 98-102 (2016).
- Shibata, Y., et al. Quasi-solid dye sensitized solar cells with ionic liquid Increase in efficiencies by specific interaction between conductive polymers and gelators. Chem. Comm. 21, 2730-2731 (2003).
- Wu, J., et al. A thermoplastic gel electrolyte for stable quasi-solid-state dye-sensitized solar cells. Adv. Funct. Mater. 17 (15), 2645-2652 (2007).
- Johansson, J. M. E., et al. Photovoltaic and interfacial properties of heterojunctions containing dye sensitized dense TiO2 and Tri-arylamine derivatives. Chem. Mater. 19 (8), 2017-2078 (2007).
- Echlin, P. . Handbook of Sample Preparation for Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis. , (2011).
- Flegler, S. L., Heckman, J. W., Klomparens, K. L. . Scanning and Transmission Electron Microscopy: An Introduction. , (1993).
- Cowan, R. S., Roy, A., Heeger, J. A. Recombination in polymer-fullerene bulk heterojunction solar cells. Phys. Rev. B. 82 (24), 245207 (2010).
- Street, A. R., Cowan, S., Heeger, J. A. Experimental test for geminate recombination applied to organic solar cells. Phys. Rev. B. 82 (12), 121301 (2010).
- Shuttle, G. C., et al. Charge extraction analysis of charge carrier densities in a polythiophene/fullerene solar cell: Analysis of the origin of the device dark current. Appl. Phys. Lett. 93, 183501 (2008).
- Shuttle, G. C., et al. Bimolecular recombination losses in polythiophene: Fullerene solar cells. Phys. Rev. B. 78, 113201 (2008).
- Reyes-Reyes, M., et al. Methanofullerene elongated nanostructure formation for enhanced organic solar-cells. Thin Solid Films. 516 (1), 52-57 (2007).
- Shuttle, G. C., et al. Experimental determination of the rate law for charge carrier decay in a polythiophene: Fullerene solar cell. Appl. Phys. Lett. 92, 093311 (2008).
- Mori, D., Benten, H., Ohkita, H., Ito, S., Miyake, K. Polymer/polymer blend solar cells improved by using high-molecular-weight fluorene-based copolymer as electron acceptor. ACS Appl. Mater. Interfaces. 4 (7), 3325-3329 (2012).
- You, J., et al. A polymer tandem solar cell with 10.6% power conversion efficiency. Nature Commun. 4, 1446 (2013).
