Controllo Morfologia per Bulk-eterogiunzione completamente stampabili celle solari organiche-inorganici a base di un Ti-alcossido e semiconduttore Polymer
Summary
Metodo per completamente stampabili, privo di fullerene, altamente aria-stabile, bulk-eterogiunzione celle solari basate su alcossidi Ti come accettore di elettroni e la fabbricazione del polimero elettron donatore viene qui descritto. Inoltre, viene segnalato un metodo per controllare la morfologia dello strato fotoattivo attraverso l'ingombro molecolare delle unità Ti-alcossido.
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
Dispositivi fotovoltaici organici sono considerate fonti di energia rinnovabili promettenti a causa del loro basso costo di produzione e il peso leggero 1-7. A causa di questi vantaggi, un gran numero di scienziati sono stati immersi in questo settore promettente. Negli ultimi dieci anni, dye-sensitized, a film sottile organico, e celle solari sensibilizzate perovskite hanno raggiunto progressi significativi in termini di efficienza di conversione di potenza in questo settore 8.
In particolare, le celle solari a film sottile organico e la tecnologia delle celle solari BHJ organici a film sottile sono soluzioni efficienti ed economiche per l'utilizzo dell'energia solare. Inoltre, l'efficienza di conversione dell'energia ha raggiunto oltre il 10% con l'uso di polimeri a bassa band-gap come i derivati donatori di elettroni e fullerene come accettore di elettroni (Phenyl-C 61 -Butyric-acido-metilestere: [60] PCBM o fenil-C 71 -Butyric-acido-estere metilico: [70] PCBM) 9-11. Inoltre, alcuni ricercatori have già segnalato l'importanza della struttura BHJ nello strato fotoattivo, che è costruito con polimeri a bassa band-gap e derivati fullerene di ottenere una elevata efficienza complessiva. Tuttavia, i derivati fullerene sono sensibili ad aria. Pertanto, un materiale di elettroni accettare aria stabile è richiesto come alternativa. Alcuni rapporti precedentemente suggerito nuovi tipi di celle fotovoltaiche organiche che hanno usato di tipo n polimeri semiconduttori o ossidi metallici come accettori di elettroni. Questi rapporti sostenuto lo sviluppo di liberi-fullerene, organici celle solari a film sottile aria-stabile 12-15.
Tuttavia, a differenza di fullerene sistemi o sistemi polimerici semiconduttore di tipo n, ottenendo prestazioni soddisfacenti della struttura BHJ nello strato fotoattivo, che ha separazione di carica e le capacità di trasferimento di carica, è difficile in sistemi ossido di metallo 16-17. Inoltre, i derivati fullerene e di tipo n polimeri semiconduttori hanno elevata solubilitàin molti solventi. Pertanto, è facile controllare la morfologia dello strato fotoattivo selezionando una soluzione di inchiostro come solvente, che è il precursore dello strato fotoattivo 18-20. Al contrario, nel caso di sistemi di alcossido di metallo utilizzati in combinazione con un polimero elettron-donatore, entrambi semiconduttori sono insolubili in quasi tutti i solventi. Questo perché alcossidi metallici non hanno una elevata solubilità nel solvente. Pertanto, la selettività di solventi per il controllo della morfologia è estremamente bassa.
In questo articolo, riportiamo un metodo per controllare la morfologia dello strato fotoattivo utilizzando ingombro molecolare per fabbricare celle solari stampabili e altamente aria-stabile BHJ. Descriviamo l'importanza del controllo della morfologia per il progresso delle celle solari BHJ priva di fullerene.
Protocol
Representative Results
Discussion
Al fine di utilizzare ingombro della molecola in questo metodo, è importante conoscere le condizioni per la formazione di film di spin coating. Innanzitutto, i p-type e n-semiconduttori di tipo devono poter essere sciolto in solventi. Quando alcuni materiale rimane, diventerà il grande nucleo dei domini nello strato fotoattivo. L'uso di un filtro commerciale adeguata per singoli solventi si raccomanda di rimuovere il materiale rimanente. Successivamente, la soluzione precursore in cui le molecole si dissolvono dev…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo lavoro è stato parzialmente supportato dal JSPS KAKENHI di Grant numero 25.871.029, la Nippon Sheet Glass Fondazione per la Scienza dei Materiali e Ingegneria, e la Tochigi Industrial Promotion Center. Il National Institute of Technology, Oyama College, anche aiutato con le spese per la pubblicazione di questo articolo.
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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