Ti-alkoksit ve Yarıiletken Polimer dayanarak Tamamen Yazdırılabilir Organik-İnorganik Toplu heteroeklem Güneş Pilleri için Morfoloji Kontrolü
Summary
elektron alıcısı ve elektron veren polimer fabrikasyonu olarak Ti alkoksitler dayalı tamamen yazdırılabilir, fulleren içermeyen, yüksek hava kararlı, toplu heteroeklem güneş hücreleri için bir yöntem burada tarif edilmektedir. Ayrıca, Ti-alkoksit ünitelerinin moleküler şişkinliğini yoluyla fotoaktif tabakasının morfolojisinin kontrol edilmesi için bir yöntem olup bildirilmektedir.
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
Organik fotovoltaik cihazları nedeniyle düşük üretim maliyeti ve hafif 1-7 umut verici yenilenebilir enerji kaynakları olarak kabul edilir. Bu avantajları nedeniyle, bilim adamlarının çok sayıda bu umut verici alanda dalmış edilmiştir. Son on yılda, boya hassas, organik ince film ve perovskit duyarlı güneş hücreleri, bu alanda 8 güç dönüşüm verimliliği önemli ilerlemeler elde ettik.
Özellikle, organik ince film güneş pilleri ve BHJ organik ince film güneş pili teknolojisi güneş enerjisinin kullanımı için etkili ve uygun maliyetli çözümler vardır. [60] PCBM ya Dahası, enerji dönüşüm verimliliği elektron alıcı (fenil-Cı-61 -yağ-asit-metil ester gibi elektron veren ve fulleren türevleri gibi düşük-band boşluğu polimerlerinin kullanımı ile% 10'un üzerinde ulaştı Fenil-Cı 71 -yağ-asit-metil ester: [70] PCBM) 9-11. Ayrıca, bazı araştırmacılar hAve zaten yüksek genel verimliliği elde etmek için, düşük bant boşluk polimerler ve fulleren türevleri ile imal edilir fotoaktif katman bölgesi BHJ yapısının önemini belirtmişlerdir. Bununla birlikte, fulleren türevleri hava duyarlıdır. Bu nedenle, bir hava-kararlı elektron kabul eden madde bir alternatif olarak gereklidir. Birkaç raporlar daha önce elektron alıcısı olarak n-tipi yarı iletken polimerler veya metal oksitler kullanılan organik fotovoltaik hücrelerin yeni tip önerdi. Bu raporlar havada kararlı, fulleren içermeyen, organik ince film güneş pilleri 12-15 geliştirilmesini desteklemiştir.
Bununla birlikte, aksine, yük ayırma ve yük transferi yetenekleri vardır fotoaktif tabakada BHJ yapısı, tatmin edici bir performans elde etmek, sistem veya n-tipi yarı iletken polimer sistemlerini fulleren için, metal oksit sistemleri 16-17 zordur. Ayrıca, fulleren türevleri ve N-tipi yarı iletken polimerler, yüksek çözünürlüğe sahipBirçok çözücülerde. Nedenle, fotoaktif tabaka 18-20 öncülüdür çözücü olarak bir mürekkep çözeltisi seçerek fotoaktif tabakanın morfolojisini kontrol etmek kolaydır. Buna karşılık, bir elektron-verici polimer ile kombinasyon halinde kullanılan metal alkoksit sistemleri durumunda, her iki yarı iletken hemen hemen tüm çözücüler içinde çözünür değildirler. metal alkoksitler solvent içinde yüksek bir çözünürlüğe sahip olmadığı için olmasıdır. Bu nedenle, şekil kontrolü için çözücü seçiciliği son derece düşüktür.
Bu yazıda, yazdırılabilir ve son derece havada kararlı BHJ güneş hücreleri imal moleküler hacme kullanılarak fotoaktif tabakasının morfolojisinin kontrol edilmesi için bir yöntem sunulmaktadır. Biz fulleren serbest BHJ güneş hücreleri ilerleme morfolojisi kontrolünün önemini açıklar.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu yöntemde molekülün hacme yararlanmak için, santrifüj yoluyla kaplama film oluşumu için koşullar bilmek önemlidir. İlk olarak, p-tipi ve n-tipi yarıiletkenler çözücüler içinde çözülebilir olması gerekir. Bazı malzeme kaldığında, bu fotoaktif tabakasında etki büyük çekirdek haline gelecektir. Bireysel solventler için yeterli bir ticari filtre kullanılması kalan malzemeyi kaldırmak için tavsiye edilir. Sonraki, moleküller eridiği öncü çözeltisi eşit ve homojen yaklaşık 60 s İTO…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma kısmen JSPS KAKENHI Grant Numarası 25871029, Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Nippon Sheet Glass Vakfı ve Tochigi Sanayi Geliştirme Etüd Merkezi tarafından desteklenmiştir. Ulusal Teknoloji Enstitüsü, Oyama Koleji, aynı zamanda bu makalenin yayın maliyetleri ile yardımcı oldu.
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).
