Ambient Methode voor de productie van een ionisch Gated koolstof nanobuis Common Cathode in Tandem organische zonnecellen
Summary
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.
Abstract
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.
Introduction
Polymer halfgeleiders zijn de leidende organische fotovoltaïsche (OPV) materialen als gevolg van hoge absorptievermogen, goede transport eigenschappen, flexibiliteit en compatibiliteit met temperatuurgevoelige ondergronden. OPV apparaat stroom omzettingsrendementen, η, aanzienlijk sprong in de afgelopen jaren, met een enkele cel efficiëntie zo hoog als 9,1% 1, waardoor ze een steeds levensvatbare energietechnologie.
Ondanks de verbeteringen in η, de dunne optimale actieve laag diktes van de apparaten te beperken lichtabsorptie en belemmeren betrouwbare fabricage. Bovendien wordt de spectrale breedte van lichtabsorptie van elk polymeer beperkt in vergelijking met anorganische materialen. Koppelen polymeren met verschillende spectrale gevoeligheid omzeilt deze problemen, waardoor tandem architecturen 2 een noodzakelijke innovatie.
Series tandem apparaten zijn de meest voorkomende tandem architectuur. In dit ontwerp, een elektron transport materialenal, een optionele metalen recombinatie laag en een gatentransportlaag verbinden twee onafhankelijke fotoactieve lagen genoemd subcellen. Het koppelen van sub-cellen in een serie configuratie verhoogt de nullastspanning van de combinatie-apparaat. Sommige groepen hebben succes met degenerately gedoteerde transport lagen 3 had – 5, maar meer groepen hebben die deeltjes van goud of zilver recombinatie van gaten en elektronen steun in de tussenlaag 6,7.
Daarentegen parallel tandems vereisen een hoge geleidbaarheid elektrode, hetzij anode of kathode, die de twee actieve lagen. De tussenlaag moet zeer transparant zijn, welke serie tandem tussenlagen metallische deeltjes beperkt, en nog meer voor de parallelle tandem tussenlagen bestaande uit dunne, ononderbroken metalen elektroden. Koolstof nanobuisjes (CNT) platen vertonen een hogere transparantie dan metaal lagen. Dus de NanoTech Institute, in samenwerking met Shimane University, heeft introduced het concept van het gebruik als tussenlaag elektrode in monolithische, parallel tandem apparaten 8.
Eerdere pogingen aanbevolen monolithische, parallel, tandem OPV apparaten met CNT bladen functioneren als tussenlaag anodes 8,9. Deze methoden vereisen speciale zorg om kortsluiting van één of beide cellen of beschadiging voorgaande lagen te vermijden bij de neerlegging later lagen. De nieuwe methode beschreven in dit document verlicht fabricage door het plaatsen van de CNT elektrode bovenop de polymere actieve lagen van twee afzonderlijke cellen, vervolgens lamineren van de twee apparaten met elkaar zoals weergegeven in figuur 1. Deze werkwijze is opmerkelijk aangezien de inrichting, waaronder een air -stable CNT kathode, kan geheel worden gefabriceerd in omgevingscondities gebruik alleen droog en oplossing verwerking.
CNT platen zijn niet intrinsiek goed kathoden, als zij nodig hebben n-type dotering aan het werk functie om elektronen uit de foto-actieve regio verzamelen verlagenvan een zonnecel 10. Elektrische dubbellaag laden in een elektrolyt, zoals een ionische vloeistof, kan worden gebruikt om verschuiving van de werkfunctie van CNT elektroden 11-14.
Zoals beschreven in een voorgaande document 15 en in Figuur 2, wanneer de gate spanning (V Gate) is toeneemt, wordt de werkfunctie van de CNT gemeenschappelijke elektrode af, waardoor elektrode asymmetrie. Dit voorkomt dat gat collectie uit de OPV's donor in het voordeel van het verzamelen van elektronen van acceptor de OPV's, en de apparaten worden ingeschakeld, het veranderen van inefficiënte photoresistor in fotodiode 15 gedrag. Voorts zij opgemerkt dat de energie gebruikt om het apparaat en de kracht verloren wegens gate lekstromen doorberekend triviaal vergeleken met de energie, opgewekt door de zonnecel 15. Ionische gating van CNT elektroden heeft een groot effect op de werkfunctie te wijten aan de lage dichtheid van de staten en de hogeoppervlak tot volumeverhouding in CNT elektroden. Soortgelijke methoden zijn gebruikt om een Schottky barrière op het raakvlak van CNT met n-Si 16 verbeteren.
Protocol
Representative Results
Discussion
De resultaten benadrukken enkele overwegingen bij het ontwerpen van parallelle tandem zonnecellen. Met name indien een van de sub-cellen slecht presterende, tandem prestaties negatief beïnvloed. De resultaten laten zien dat er twee hoofdeffecten. Als een subcel wordt kortgesloten, bijvoorbeeld, toont ohmse gedrag, de FF T zal niet hoger zijn dan de FF van de slechte sub-cel. J T SC en V T OC zal op dezelfde manier worden beïnvloed. Dit is het geval wannee…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Support for this work was provided by DOE STTR grant DE-SC0003664 on Parallel Tandem Organic Solar Cells with Carbon Nanotube Sheet Interlayers and Welch Foundation grant AT-1617. The authors thank J. Bykova for providing CNT forests and A. R. Howard, K. Meilczarek, and J. Velten for technical assistance and useful discussions.
Materials
| Name of Material/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
| 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 | |
| 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 | 200uL | |
References
- 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. Nature Photonics. 6, 591-595 (2012).
- Yuan, Y., Huang, J., Li, G. Intermediate layers in tandem organic solar cells. Green. 1 (1), 65-80 (2011).
- Kim, J. Y., et al. Efficient tandem polymer solar cells fabricated by all-solution processing. Science. 317 (5835), 222-225 (2007).
- Yu, B., Zhu, F., Wang, H., Li, G., Yan, D. All-organic tunnel junctions as connecting units in tandem organic solar cell. Journal of Applied Physics. 104 (11), (2008).
- Schueppel, R., et al. Controlled current matching in small molecule organic tandem solar cells using doped spacer layers. Journal of Applied Physics. 107 (4), (2010).
- Hiramoto, M., Suezaki, M., Yokoyama, M. Effect of thin gold interstitial-layer on the photovoltaic properties of tandem organic solar cell. Chemistry Letters. 19 (3), 327-330 (1990).
- Xue, J., Uchida, S., Rand, B. P., Forrest, S. R. Asymmetric tandem organic photovoltaic cells with hybrid planar-mixed molecular heterojunctions. Applied Physics Letters. 85 (23), 5757 (2004).
- Tanaka, S., et al. Monolithic parallel tandem organic photovoltaic cell with transparent carbon nanotube interlayer. Applied Physics Letters. 94 (11), (2009).
- Mielczarek, K., Cook, A., Kuznetsov, A., Zakhidov, A. OPV Tandems with CNTS: Why Are Parallel Connections Better Than Series Connections. Low-Dimensional Functional Materials. , 179-204 (2013).
- Kim, J. Y., et al. Efficient tandem polymer solar cells fabricated by all-solution processing. Science. 317 (5835), 222-225 (2007).
- Kuznetsov, A. A. . Physics of electron field emission by self-assembled carbon nanotube arrays. , (2008).
- Kuznetzov, A. A., Lee, S. B., Zhang, M., Baughman, R. H., Zakhidov, A. A. Electron field emission from transparent multiwalled carbon nanotube sheets for inverted field emission displays. Carbon. 48 (1), 41-46 (2010).
- Zakhidov, A. A., Suh, D. -. S., et al. Electrochemically Tuned Properties for Electrolyte-Free Carbon Nanotube Sheets. Advanced Functional Materials. 19 (14), 2266-2272 (2009).
- Cook, A., Yuen, J. D., Zakhidov, A. Ion-Reconfigurable photovoltaic cells, hybrid tandems and photodetectors with CNT ionic gate. US Patent Application. 61, (2012).
- Cook, A. B., Yuen, J. D., Zakhidov, A. Electrochemically gated organic photovoltaic with tunable carbon nanotube cathodes. Applied Physics Letters. 103 (16), (2013).
- Wadhwa, P., Liu, B., McCarthy, M. A., Wu, Z., Rinzler, A. G. Electronic Junction Control in a Nanotube-Semiconductor Schottky Junction Solar Cell. Nanoletters. 10 (12), 5001-5005 (2010).
