Morfologi Control för fullt utskrivbara Organiska-oorganiska Bulk-hetero solceller baserade på en Ti-alkoxid och halvledande polymer
Summary
En metod för att fullt tryckbara, fullerenfria, höggradigt luftstabila, bulk-solceller med heterogen baserade på Ti-alkoxider såsom elektronacceptorn och elektrondonerande polymertillverkning beskrivs här. Dessutom är en metod för att styra morfologin hos den fotoaktiva skiktet genom molekylär skrymmande de Ti-alkoxid enheter rapporteras.
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
Organiska fotogalvaniska anordningar anses lovande förnybara energikällor på grund av deras låga tillverkningskostnader och låg vikt 1-7. På grund av dessa fördelar, har ett stort antal forskare varit nedsänkt i detta lovande område. Under det senaste decenniet, färgkänslig, har organiska tunnfilms och perovskit solceller gjort betydande framsteg i effektivitet effektomvandling på detta område 8.
Specifikt, organiska tunnfilmssolceller och BHJ organiska tunnfilmssolcellsteknik är effektiva och kostnadseffektiva lösningar för utnyttjande av solenergi. Vidare har effektiviteten energiomvandlings nådde över 10% med användning av låg-band-gap-polymerer som elektrondonator och fullerenderivat som elektronacceptor (fenyl-C 61 -smörsyra-Acid-metylester: [60] PCBM eller fenyl-C 71 -smörsyra-syra-metylester: [70] PCBM) 9-11. Dessutom har vissa forskare have redan rapporterade betydelsen av BHJ struktur i den fotoaktiva skiktet, vilken är konstruerad med låg-band-gap polymerer och fullerenderivat för att erhålla en hög total effektivitet. Men fullerenderivat är luftkänsliga. Därför är ett luftstabilt elektronmottagande material som erfordras som ett alternativ. Några rapporter tidigare föreslagits nya typer av organiska solceller som används n-typ halvledande polymerer eller metalloxider som elektronmottagare. Dessa rapporter stött utvecklingen av luftstabila, fullerenfria, organiska tunnfilmssolceller 12-15.
Men i motsats till fulleren system eller n-typ halvledande polymersystem, erhållande en tillfredsställande prestanda hos BHJ struktur i den fotoaktiva skiktet, som har laddningsseparation och laddningsöverföringen förmågor, är svårt i metalloxidsystem 16-17. Dessutom fullerenderivat och n-typ halvledande polymerer har hög lösligheti många lösningsmedel. Därför är det lätt att kontrollera morfologin hos det fotoaktiva skiktet genom att välja en färglösning som lösningsmedel, som är föregångaren av det fotoaktiva skiktet 18-20. Däremot i fallet med metallalkoxiden som används i kombination med en elektrondonerande polymer, båda halvledare är olösliga i nästan alla lösningsmedel. Detta beror på att metallalkoxider inte har en hög löslighet i lösningsmedlet. Därför är selektiviteten av lösningsmedel för morfologi kontroll extremt låg.
I denna artikel rapporterar vi ett förfarande för att styra morfologin hos den fotoaktiva skiktet genom användning av molekylärt bulkighet att tillverka tryckbara och högt luftstabila BHJ solceller. Vi beskriver vikten av morfologi kontroll för utvecklingen av fullerenfria BHJ solceller.
Protocol
Representative Results
Discussion
För att utnyttja molekylens bulkighet i denna metod är det viktigt att känna till villkoren för filmbildning genom spinnbeläggning. För det första måste de av p-typ och n-typ halvledare kunna lösas i lösningsmedlen. När en del material kvarstår, kommer det att bli den stora kärnan av domänerna i den fotoaktiva skiktet. Användningen av en lämplig kommersiell filter för enskilda lösningsmedel rekommenderas att ta bort det återstående materialet. Sedan måste prekursorlösningen i vilken molekylerna upp…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete har delvis stöd av JSPS KAKENHI Grant Number 25871029, Nippon Sheet Glass Stiftelsen för materialvetenskap och teknik, och Tochigi Industrial Promotion Center. National Institute of Technology, Oyama College, hjälpte också med de kostnader publicering av denna 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
- 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).
