Control de la morfología de las células solares a granel-heterounión orgánica-inorgánica completamente para imprimir Sobre la base de un Ti-alcóxido y semiconductores de polímero
Summary
Un método para células completamente imprimibles, libre de fullereno, altamente aire-estable, a granel heterounión solares basadas en alcóxidos de Ti como el aceptor de electrones y la fabricación de polímero donador de electrones se describe aquí. Por otra parte, se informa de un procedimiento para controlar la morfología de la capa fotoactiva a través del volumen molecular de las unidades de Ti-alcóxido.
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
Dispositivos fotovoltaicos orgánicos se consideran fuentes de energía renovables prometedores debido a su bajo coste de fabricación y el peso ligero 1-7. Debido a estas ventajas, un gran número de científicos ha estado inmerso en esta área prometedora. En la última década, sensibilizada por colorante, de película delgada orgánica, y las células solares sensibilizadas por perovskita han logrado avances significativos en la eficiencia de conversión de energía en esta zona 8.
En concreto, las células solares de película delgada orgánica y la tecnología de células solares de película delgada orgánica BHJ son soluciones eficientes y rentables para la utilización de la energía solar. Además, la eficiencia de conversión de la energía ha llegado a más de 10% con el uso de polímeros de baja de intervalo de banda como los derivados de los donantes de electrones y de fullereno como el aceptor de electrones (fenil-C 61 butírico-ácido-Metil Ester: [60] o PCBM fenil-C 71 butírico-ácido-metil Ester: [70] PCBM) 9-11. Por otra parte, algunos investigadores have ya se ha informado de la importancia de la estructura BHJ en la capa fotoactiva, que se construye con polímeros de baja band-gap y derivados de fullereno para obtener una alta eficiencia global. Sin embargo, los derivados de fullerenos son sensibles al aire. Por lo tanto, se requiere un material aceptor de electrones estable al aire como una alternativa. Algunos informes sugirieron previamente los nuevos tipos de células fotovoltaicas orgánicas que utilizan polímeros semiconductores de tipo n u óxidos metálicos como aceptores de electrones. Estos informes apoyan el desarrollo de las células,, orgánicos libres de fullereno con aire estable solares de película delgada 12-15.
Sin embargo, en contraste con los sistemas de fullereno o sistemas de polímero semiconductor de tipo n, la obtención de un rendimiento satisfactorio de la estructura BHJ en la capa fotoactiva, que tiene separación de carga y las capacidades de transferencia de carga, es difícil en los sistemas de óxido de metal 16-17. Además, los derivados de fullereno y polímeros semiconductores tipo n tienen alta solubilidaden muchos disolventes. Por lo tanto, es fácil de controlar la morfología de la capa fotoactiva mediante la selección de una solución de tinta como el disolvente, que es el precursor de la capa fotoactiva 18-20. Por el contrario, en el caso de los sistemas de alcóxido de metal utilizados en combinación con un polímero donador de electrones, ambos semiconductores son insolubles en casi todos los disolventes. Esto se debe a alcóxidos de metales no tienen una alta solubilidad en el disolvente. Por lo tanto, la selectividad de disolventes para el control de la morfología es extremadamente bajo.
En este artículo, se presenta un método para controlar la morfología de la capa fotoactiva mediante el uso de voluminosidad molecular para fabricar células solares imprimibles y altamente BHJ aire-estable. Se describe la importancia del control de la morfología para el progreso de las células solares BHJ libre de fullereno.
Protocol
Representative Results
Discussion
A fin de utilizar la voluminosidad de la molécula en este método, es importante conocer las condiciones para la formación de película mediante revestimiento por rotación. En primer lugar, los de tipo p y tipo n semiconductores deben ser capaces de disolverse en los disolventes. Cuando algún material permanece, se convertirá en el gran núcleo de los dominios en la capa fotoactiva. Se recomienda el uso de un filtro comercial adecuada para disolventes individuales para eliminar el material restante. A continuación…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabajo fue parcialmente apoyado por la JSPS KAKENHI la subvención Número 25871029, la Fundación Nippon Sheet Glass para la Ciencia de los Materiales e Ingeniería, y el Centro de Promoción Industrial de Tochigi. El Instituto Nacional de Tecnología, Oyama College, también ayudó con los gastos de publicación de este artículo.
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 |
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