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Engineering

定向定向 ZnO 纳米阵列及其在倒小分子太阳电池中的应用

Published: April 25, 2018
doi:
10.3791/56149
, , , , , , , ,
1Department of Electrical Engineering,National United University, 2Research Center of Applied Science,Academia Sinica, 3Department of Graduate Institute of Photonics and Optoelectronics,National Taiwan University, 4Department of Electronic Engineering,Chung Yuan Christian University

Summary

本手稿描述如何设计和制造高效的倒置 SMPV1:PC71BM 太阳能电池与 zno 纳米棒 (卢比) 生长在一个高质量的铝掺杂氧化锌 (偶氮染料) 种子层。排列良好的垂直取向 ZnO 卢比表现出高结晶性能。太阳能电池的功率转换效率可达6.01%。

Abstract

这篇手稿描述如何设计和制造高效的倒置太阳能电池, 这是基于二维共轭小分子 (SMPV1) 和 [66] 苯基-C71 丁酸甲酯 (PC71BM), 利用 ZnO 纳米棒 (卢比)生长在高质量的铝掺杂氧化锌 (偶氮染料) 种子层上。在溅射和溶胶-凝胶处理的偶氮种子层上生长的 ZnO 卢比的倒置 SMPV1:PC71BM 太阳能电池。与溶胶-凝胶法制备的偶氮薄膜相比, 溅射偶氮薄膜具有更好的结晶和较低的表面粗糙度, 可根据 x 射线衍射 (XRD) 和原子力显微镜 (AFM) 测量。在溅射偶氮种子层上生长的氧化锌卢比的取向表现出较好的垂直对准, 有利于后续活性层的沉积, 形成较好的表面形貌。通常, 活性层的表面形貌主要控制器件的填充因子 (FF)。因此, 良好的 ZnO 卢比可用于改善主动层的载流子收集, 增加太阳能电池的 FF。此外, 作为一种抗反射结构, 也可用于提高吸收层的光采收率, 使太阳能电池的功率转换效率达到 6.01%, 高于溶胶-凝胶型太阳能电池, 效率达4.74%.

Introduction

有机光伏 (脊髓灰质炎) 装置最近在应用可再生能源方面取得了显著的进展。这种有机器件有许多优点, 包括溶液处理兼容性、低成本、轻量、灵活性、等1、2、3、4、5直到现在,利用与 PC71BM6混合的共轭聚合物, 开发了10% 多氯乙烯的聚合物太阳能电池 (PSCs)。与聚合物基 PSCs 相比, 小分子基 OPVs (SM-OPVs) 由于其独特的化学结构、简便的合成和纯化等优点, 在制造 OPVs 方面引起了越来越多的关注, 并一般较高的开路电压 (Voc)7,8,9。目前, 2 维结构共轭小分子 SMPV1 (26-双 [25-双 (3-octylrhodanine)-(33-二辛-22 ‘:52 “-terthiophene)”-48-双 (5-己基) thiophen 2 基) 苯并 [12-b:45-b ‘] dithiophene) 与电信 (苯并 [12-b:45-b ‘]dithiophene) 作为核心单元和 3-octylrodanine 作为电子退出端组10已设计并用于与 PC71BM 混合, 以实现有前景的可持续 OPVs 应用。基于 SMPV1 与 PC71BM 混合的常规小分子太阳能电池 (SM-OPVs) 的四氯乙烯已达到 8.0%10,11。

在过去, PSCs 可以通过调整活动层的厚度来提高和优化。然而, 与 PSCs 不同, SM-OPVs 一般具有较短的扩散长度, 这大大限制了活性层的厚度。因此, 为了进一步增加 sm-OPVs 的短电流密度 (Jsc), 利用纳米结构的12或卢比9来提高 sm OPVs 的光吸收成为必要的。

在这些方法中, 抗反射卢比结构通常是有效的光收获的活动层在广泛的波长范围;因此, 知道如何生长良好的垂直取向氧化锌 (氧化锌) 卢比是非常关键的。氧化锌卢比层下面的种子层表面粗糙度对 NR 阵列的取向有很大影响;因此, 为了卢比良好的矿床, 种子层的结晶需要精确控制9。

在这项工作中, 偶氮薄膜是用 theRadio-频率 (RF) 溅射技术制备的。与其它技术相比, 射频溅射技术是一种高效的、可转移到工业中的工艺, 它是一种可靠的沉积技术, 允许合成高纯度、均匀、平滑、自可持续的偶氮薄膜生长大面积的基底。利用射频溅射沉积, 可以形成高质量的偶氮薄膜, 表现出高结晶性, 表面粗糙度降低。因此, 在随后的生长层中, 与溶胶-凝胶法制备的 ZnO 薄膜相比, 卢比的取向高度一致。利用该技术, 基于垂直定向的 ZnO NR 阵列的倒置小分子太阳能电池的四氯乙烯能达到6.01%。

Protocol

1. ITO 基片上偶氮溅射种子层的生长 在铟锡氧化物 (ITO) 基体的一侧贴上4条防腐胶带 (0.3 x 1.5 厘米), 形成正方形 (1.5 x 1.5 厘米)。将 ito 加入盐酸15分钟, 以蚀刻 ito 的暴露面积。 取下胶带, 用 sonicator 清洁样品;油脂实验与去离子 (DI) 水, 丙酮, 乙醇和异丙醇依次为30分钟。用压缩氮气枪吹干花纹的 ITO。 用胶带将已清洗过的 ITO 基板附着在衬底架上, 并将该支架装入射频溅射系统的…

Representative Results

该装置的分层结构由 ITO 基底/偶氮 (40 nm)/氧化锌卢比层、SMPV1:PC71BM (80 nm)/MoO3 (5 nm)/Ag (150 nm) 组成, 如图 1所示。通常, 偶氮或氧化锌种子层广泛用于 PSCs 器件中的电子传输层 (ETL)。除了 PSCs, SM-OPVs 通常有一个较短的活动层, 受较短的扩散长度8的限制。为此, 为了进一步提高器件的光采能力, 在种子层上引入氧化锌卢比?…

Discussion

通过使用卢比夹层, 可以提高设备的 Jsc和 FF。然而, 卢比的表面粗糙度也会影响后续的过程。因此, 卢比的取向和表面形貌应小心操作。长期以来, 溶胶-凝胶处理 ETL, 如 PSCs2和氧化锌是常用的, 由于其简单的程序。然而, 溶胶-凝胶处理层的结晶一般是无定形的, 在大多数情况下, 层的表面形貌是粗糙的。因此, 在本研究中, 为了精确控制种子层的膜质量, 选用溅射种子层代替溶胶-凝胶?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

作者感谢中国国家科学委员会在合同号下对本研究的财政支持。最多 106-2221-239-035, 最多106-2119 米033-00。

Materials

AZO target Ultimate Materials Technology Co., Ltd. none AZO (2 wt% Al2O3 in ZnO) , 3”ψx 3mmt
+ 3mmt Cu B/P + Bonding
SMPV1 Luminescence Technology Corp. 1651168-29-4 2,6-Bis[2,5-bis(3-octylrhodanine)-(3,3-dioctyl-2,2':5,2''-terthiophene)]-4,8-bis((5-ethylhexyl)thiophen-2-yl)benzo[1,2-b:4,5-b']dithiophene
RF sputtering system Kao Duen Technology Co., Ltd none http://www.kaoduen.com.tw/index.php?action=product
Zinc Acetate Dihydrate J. T. Baker 5970456 4.39 g
Monoethanolamine J. T. Baker 141435 1.22 g
2-methoxyethanol Sigma-Aldrich 109864 40 mL
Zinc Nitrate Hexahydrate J. T. Baker 10196186 1.49 g
Hexamethylenetetramine Sigma-Aldrich 100-97-0 0.7 g
Indium tin oxide (ITO) RiTdisplay none coated glass substrates (<10 Ω sq–1)
AFM Veeco Innova SPM
SEM FEI Nova 200 NanoSEM operation voltage: 10 kV
XRD Bruker D8 X-ray diffractometer 2θ range: 10–90 °; step size: 0.008 °
PL Horiba Jobin-Yvon HR800 excitation source: 325 nm UV Laser 20 mW
solar simulator Newport 91192A AM 1.5G
Precision Semiconductor Parameter Analyzer Keysight Technologies Agilent 4156C sweep from -1 to +1 V
toluene Sigma-Aldrich 108-88-3 1 mL
PC71BM Sigma-Aldrich 609771-63-3 11.25 mg
Thermal evaporation system Kao Duen Technology Co., Ltd Kao Duen PVD System http://www.kaoduen.com.tw/index.php?action=product
HCl Sigma-Aldrich 7647-01-0
MoO3 Alfa Aesar 1313-27-5 99.50%
silver ingot ADMAT Inc. none 100.00%
Thin Film Deposition Controller INFICON XTC
anti-corrosion tape (Polyimide Film) 3M Taiwan Corporation none http://solutions.3m.com.tw/wps/portal/3M/zh_TW/InsulatingTape/home/product/Polyimide/
spin-coater Chemat Technology, Inc KW-4A http://www.chemat.com/chematscientific/KW-4A.aspx
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References

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Lin, M., Wu, S., Hsiao, L., Budiawan, W., Chen, S., Tu, W., Lee, C., Chang, Y., Chu, C. Well-aligned Vertically Oriented ZnO Nanorod Arrays and their Application in Inverted Small Molecule Solar Cells. J. Vis. Exp. (134), e56149, doi:10.3791/56149 (2018).
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