Contrôle Morphologie pour Bulk-hétérojonction cellules solaires organiques-inorganiques entièrement imprimables Basé sur un Ti-alcoolate et Polymer Semiconductor
Summary
Procédé pour, en vrac, hétérojonction cellules solaires imprimables entièrement libre fullerène très stables à l'air sur la base des alcoolates de Ti comme accepteur d'électrons, et la fabrication du polymère donneur d'électrons est décrite ici. En outre, un procédé pour contrôler la morphologie de la couche photoactive par l'encombrement moléculaire des unités alcoxyde de Ti est signalée.
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
Dispositifs photovoltaïques organiques sont considérés comme des sources d'énergie renouvelables prometteuses en raison de leur faible coût de fabrication et le poids léger 1-7. En raison de ces avantages, un grand nombre de scientifiques ont été immergés dans ce domaine prometteur. Dans la dernière décennie, à colorant, organique à film mince, et les cellules solaires sensibilisées perovskite ont réalisé des progrès significatifs en matière d' efficacité de conversion de puissance dans ce domaine 8.
Plus précisément, les cellules solaires à couches minces organiques et la technologie solaire-cellulaire BHJ organique à couche mince sont des solutions efficaces et rentables pour l'utilisation de l'énergie solaire. En outre, le rendement de conversion d'énergie a atteint plus de 10% avec l'utilisation de polymères à faible bande interdite que les dérivés donneurs d'électrons et fullerène comme accepteur d'électrons (Phényl-C 61 butyrique-acide-ester méthylique de [60]: PCBM ou Phenyl-C 71 butyrique-acide-Methyl Ester: [70] PCBM) 9-11. Par ailleurs, certains chercheurs have déjà signalé l'importance de la structure BHJ dans la couche photoactive, qui est construit avec des polymères à faible bande interdite et les dérivés de fullerène pour obtenir un rendement global élevé. Cependant, les dérivés de fullerène sont sensibles à l'air. Par conséquent, un matériau accepteur d'électrons stable à l'air est nécessaire comme alternative. Quelques rapports précédemment proposé de nouveaux types de cellules photovoltaïques organiques qui ont utilisé des polymères de type n ou semi-conductrices d'oxydes métalliques comme accepteurs d'électrons. Ces rapports ont soutenu le développement de, sans fullerène, les cellules solaires d'air stables organiques en couches minces 12-15.
Cependant, contrairement à fullerène ou les systèmes de polymères semi – conducteur de type n, en obtenant un rendement satisfaisant de la structure BHJ dans la couche photosensible, qui a une séparation de charge et de charge des capacités de transfert, il est difficile dans des systèmes d'oxydes métalliques 16-17. En outre, les dérivés de fullerène et des polymères semi-conducteurs de type n ont une solubilité élevéedans de nombreux solvants. Par conséquent, il est facile de contrôler la morphologie de la couche photoactive par la sélection d' une solution d'encre en tant que solvant, qui est le précurseur de la couche photoactive 18-20. En revanche, dans le cas des systèmes alcoolates métalliques utilisés en combinaison avec un polymère donneur d'électrons, les deux semi-conducteurs sont insolubles dans la plupart des solvants. En effet, les alcoxydes métalliques ne possèdent pas une solubilité élevée dans le solvant. Par conséquent, la sélectivité de solvants pour le contrôle de la morphologie est extrêmement faible.
Dans cet article, nous présentons une méthode pour contrôler la morphologie de la couche photoactive en utilisant bouffant moléculaire pour fabriquer des cellules solaires BHJ imprimables et très stables à l'air. Nous décrivons l'importance du contrôle de la morphologie pour le progrès de cellules solaires BHJ libre fullerène.
Protocol
Representative Results
Discussion
Afin d'utiliser l'encombrement de la molécule dans ce procédé, il est important de connaître les conditions de formation de film par revêtement par centrifugation. Tout d'abord, les semi-conducteurs de type p et de type n doivent pouvoir être dissous dans les solvants. Lorsque certains matériaux reste, il deviendra le grand cœur des domaines dans la couche photoactive. L'utilisation d'un filtre commercial adéquat pour les solvants individuels est recommandé d'enlever la matière restant…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ce travail a été partiellement soutenu par JSPS KAKENHI Grant Number 25871029, la Nippon Sheet Foundation en verre pour la science des matériaux et en génie, et Tochigi Industrial Promotion Center. L'Institut national de technologie, Oyama College, a également aidé avec les frais de publication de cet article.
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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