Summary

Morfologi Control til Fuldt Printable Økologisk-Uorganisk Bulk-heterojunction solceller baseret på en Ti-alkoxid og halvledende Polymer

Published: January 10, 2017
doi:

Summary

Fremgangsmåde til fuldt printbare, fulleren-fri, stærkt værelser med stabil, bulk-heterojunction solceller baseret på Ti alkoxider som elektronacceptor og elektrondonerende polymer fabrikation beskrives her. Endvidere rapporteres en fremgangsmåde til styring af morfologien af ​​den fotoaktive lag gennem den molekylære bulkiness af Ti-alkoxid enheder.

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

Organiske fotovoltaiske anordninger betragtes lovende vedvarende energikilder på grund af deres lave omkostninger fremstilling og lette vægt 1-7. På grund af disse fordele, har et stort antal forskere ligget i dette lovende område. I det seneste årti, dye-lysfølsomme, organisk tynd-film, og perovskit-sensibiliserede solceller har opnået betydelige fremskridt ved magten konverteringseffektivitet på dette område 8.

Konkret økologiske tynd-film solceller og BHJ organisk tynd-film sol-celle teknologi er effektive og omkostningseffektive løsninger til udnyttelse af solenergi. Desuden har energikonverteringseffektiviteten nået over 10% med brug af lav-band-gap polymerer som elektrondonoren og fulleren derivater som elektronacceptor (Phenyl-C 61 -smørsyre-Acid-methylester: [60] PCBM eller phenyl-C 71 -smørsyre-Acid-methylester: [70] PCBM) 9-11. Desuden er nogle forskere have allerede rapporteret betydningen af ​​BHJ struktur i fotoaktive lag, som er konstrueret med lav-band-gap polymerer og fulleren derivater for at opnå en høj samlet virkningsgrad. Men fulleren derivater er air-følsomme. Derfor er en luft-stabil elektron-accepterende materiale, der kræves som et alternativ. Enkelte rapporter tidligere foreslået nye typer af organiske solceller, der bruges n-type halvledende polymerer eller metaloxider som elektronacceptorer. Disse rapporter støttet udviklingen af værelser med stabile, fulleren-fri, økologisk tynd-film solceller 12-15.

Men i modsætning til fulleren systemer eller n-type halvledende polymersystemer, opnåelse af et tilfredsstillende opfyldelse af BHJ struktur i fotoaktive lag, som har ladningsadskillelse og ladningsoverførslen evner, er vanskelig i metal oxide systemer 16-17. Endvidere fulleren derivater og N-type halvledende polymerer har høj opløselighedi mange opløsningsmidler. Derfor er det let at styre morfologien af den fotoaktive lag ved at vælge en trykfarve opløsning som opløsningsmidlet, som er forløber for den fotoaktive lag 18-20. Derimod i tilfældet med metalalkanolat systemer, der anvendes i kombination med en elektrondonerende polymer, begge halvledere er uopløselige i næsten alle opløsningsmidler. Dette skyldes, metalalkoxider ikke har en høj opløselighed i opløsningsmidlet. Derfor selektiviteten af ​​opløsningsmidler for morfologi styring er ekstremt lav.

I denne artikel rapporterer vi en fremgangsmåde til styring af morfologien af ​​den fotoaktive lag ved hjælp af molekylær voluminøsitet at fabrikere printbare og yderst luft-stabil BHJ solceller. Vi beskriver betydningen af ​​morfologi kontrol for forløbet af fulleren-fri BHJ solceller.

Protocol

1. Fremstilling af indium-tin-oxid (ITO) Glas til Solar Cell Fabrication Skær ITO / glassubstratet. Ved hjælp af et glas cutter, skære ITO / glas substrat (10 cm × 10 cm) i stykker måler ca. 2 cm × 2 cm. Kemisk ætse ITO ledende lag. Ved hjælp af en digital multimeter, kontrollere, at toppen af ​​ITO / glas brik har en ledende side. Placer afdækningstape på begge sider af ITO / glasstykke, efterlader et centralt område på 2 mm × 2 cm i midten. Br…

Representative Results

Vi har præsenteret en protokol til fremstilling fuldt printbare organiske-uorganiske BHJ solceller samt en fremgangsmåde til styring af faseadskillelse struktur. Sol-celle resultater har været omfattende undersøgt 27-31 når Ti (IV) isopropoxid og ethoxid blev anvendt som elektron-accepterende materialer (figur 1). Disse solceller udviste en kortslutningsstrøm densitet (Jsc), der er cirka otte gange højere end for enheder ved hjælp af "Ti (IV) buto…

Discussion

For at udnytte molekylets bulkiness i denne metode, er det vigtigt at kende betingelserne for filmdannelse ved spin coating. For det første skal de p-type og n-type halvledere kunne opløses i opløsningsmidlerne. Når noget materiale tilbage, vil det blive den store kerne af domænerne i fotoaktive lag. Det anbefales at anvende en passende kommerciel filter til individuelle opløsningsmidler til at fjerne det resterende materiale. Dernæst skal forstadiet opløsning, i hvilken molekylerne opløses ensartet og homogent…

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dette arbejde blev delvist støttet af JSP'er KAKENHI Grant Number 25871029, Nippon Sheet Glass Foundation for Materiale Teknologi og Udvikling, og Industrial Promotion Center for Tochigi. The National Institute of Technology, Oyama College, også bistået med omkostningerne ved denne artikel.

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

  1. 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).
  2. 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).
  3. 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).
  4. 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).
  5. Janssen, J. A. R., Nelson, J. Factors limiting device efficiency in organic photovoltaics. Adv. Mater. 25 (13), 1847-1858 (2012).
  6. Nelson, J. Polymer:fullerene bulk heterojunction solar cells. Mater. Today. 14 (10), 462-470 (2011).
  7. 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).
  8. Baena, J. P. C., et al. Highly efficient planar perovskite solar cells through band alignment engineering. Energy Environ. Sci. 8, 2928-2934 (2015).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. Granström, M., et al. Laminated fabrication of polymeric photovoltaic diodes. Nature. 395, 257-260 (1998).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. Hou, Q., et al. Novel red-emitting fluorene-based copolymers. J. Mater. Chem. 12, 2887-2892 (2002).
  19. Zheng, L., et al. Synthesis of C60 derivatives for polymer photovoltaic cell. Synth. Met. 135, 827-828 (2003).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).
  24. 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).
  25. Echlin, P. . Handbook of Sample Preparation for Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis. , (2011).
  26. Flegler, S. L., Heckman, J. W., Klomparens, K. L. . Scanning and Transmission Electron Microscopy: An Introduction. , (1993).
  27. Cowan, R. S., Roy, A., Heeger, J. A. Recombination in polymer-fullerene bulk heterojunction solar cells. Phys. Rev. B. 82 (24), 245207 (2010).
  28. 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).
  29. 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).
  30. Shuttle, G. C., et al. Bimolecular recombination losses in polythiophene: Fullerene solar cells. Phys. Rev. B. 78, 113201 (2008).
  31. Reyes-Reyes, M., et al. Methanofullerene elongated nanostructure formation for enhanced organic solar-cells. Thin Solid Films. 516 (1), 52-57 (2007).
  32. 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).
  33. 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).
  34. You, J., et al. A polymer tandem solar cell with 10.6% power conversion efficiency. Nature Commun. 4, 1446 (2013).
check_url/fr/54923?article_type=t

Play Video

Citer Cet Article
Kato, T., Oinuma, C., Otsuka, M., Hagiwara, N. Morphology Control for Fully Printable Organic–Inorganic Bulk-heterojunction Solar Cells Based on a Ti-alkoxide and Semiconducting Polymer. J. Vis. Exp. (119), e54923, doi:10.3791/54923 (2017).

View Video