Goed uitgelijnde verticaal georiënteerde ZnO nanostaafjes matrices en hun toepassing in omgekeerde kleine Molecule zonnecellen
Summary
Dit manuscript wordt beschreven hoe om te ontwerpen en fabriceren van efficiënte omgekeerde SMPV1:PC71BM zonnecellen met ZnO nanostaafjes (NRs) gegroeid op een hoge kwaliteit Al-doped ZnO (AZOKLEURSTOFFEN) zaad laag. De goed uitgelijnde verticaal georiënteerde ZnO NRs tentoonstelling hoge kristallijne eigenschappen. Het omzettingsrendement van de macht van zonnecellen kan 6.01% bereiken.
Abstract
Dit manuscript wordt beschreven hoe u ontwerpen en fabriceren van efficiënte omgekeerde zonnecellen, die op een twee-dimensionale geconjugeerd klein molecuul (SMPV1 berusten) en [6,6] – fenyl – C71-boterzuur methylester (PC71BM), door gebruik te maken van ZnO nanostaafjes (NRs) gegroeid op een hoge kwaliteit Al-doped ZnO (AZOKLEURSTOFFEN) zaad laag. De omgekeerde SMPV1:PC71BM zonnecellen met ZnO NRs dat op beide een plaatgaasfolie en sol-gel verwerkte AZO zaad-laag groeide zijn gefabriceerd. Vergeleken met de AZO dunne film bereid volgens de methode van de sol-gel, vertoont de plaatgaasfolie AZO dunne film beter kristallisatie en lagere oppervlakteruwheid, volgens röntgendiffractie (XRD) en atomaire kracht Microscoop (AFM) metingen. De oriëntatie van de ZnO NRs gegroeid op een plaatgaasfolie AZO zaad laag toont beter verticale uitlijning, die gunstig is voor de afzetting van de latere actieve laag, vorming van betere oppervlakte morphologies. De bovengrondse morfologie van de actieve laag domineert in het algemeen, vooral de opvulfactor (FF) van de apparaten. De goed uitgelijnde ZnO NRs kan bijgevolg worden gebruikt om de collectie van de drager van de actieve laag en te verhogen de FF van de zonnecellen. Bovendien, als de structuur van een anti-reflectie, kan het ook worden gebruikt om de lichte oogsten van de laag absorptie, met het omzettingsrendement van macht (PCE) van zonnecellen bereiken 6.01%, hoger dan de sol-gel op basis van zonnecellen met een rendement van 4,74 %.
Introduction
Organische fotovoltaïsche (OPV) apparaten hebben onlangs opmerkelijke ontwikkelingen bij de toepassing van hernieuwbare energiebronnen ondergaan. Dergelijke biologische apparaten hebben vele voordelen, met inbegrip van het oplossingsproces compatibiliteit, lage kosten, licht gewicht, flexibiliteit, etc.1,2,3,4,5 tot nu toe polymeer zonnecellen (PSC’s) met een PCE van meer dan 10% hebben ontwikkeld door gebruik te maken van het geconjugeerd polymeren vermengd met PC71BM6. Vergeleken met polymeer gebaseerde PSC’s, kleine molecuul gebaseerde OPVs (SM-OPVs) hebben meer aandacht aangetrokken als het gaat om het fabriceren van OPVs als gevolg van hun verschillende duidelijke voordelen, met inbegrip van welomschreven chemische structuren, facile synthese en zuivering, en over het algemeen hogere open circuit voltage (Voc)7,8,9. Op dit moment een 2D-structuur geconjugeerd klein molecuul SMPV1 (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) met BDT-T (benzo [1,2-b:4, 5-b’] dithiophene) als de kern eenheid en 3-octylrodanine als de intrekking van de elektron einde-groep10 is ontworpen en gewend mix met PC71BM voor veelbelovende duurzame toepassing van de OPVs. De PCE van conventionele kleine molecuul zonnecellen (SM-OPVs) op basis van SMPV1 vermengd met PC71BM heeft bereikt meer dan 8,0%10,11.
In het verleden kon PSC’s worden verbeterd en geoptimaliseerd gewoon door het aanpassen van de dikte van de actieve laag. In tegenstelling tot de PSC hebben SM-OPVs in het algemeen echter een kortere lengte van verspreiding, die sterk de dikte van de actieve laag beperkt. Vandaar, om verder verhogen de korte stroomdichtheid (Jsc) van SM-OPVs, met behulp van de nano-structuur12 of NRs9 ter verbetering van de optische absorptie van SM-OPVs werd noodzakelijk.
Tussen deze methoden is de anti-reflectie NRs structuur in het algemeen effectief voor lichte oogsten van de actieve laag over een breed scala aan golflengten; Daarom is het zeer kritisch weten hoe om te groeien goed uitgelijnde verticaal georiënteerd zinkoxide (ZnO)-NRs. De oppervlakteruwheid van de zaad-laag onder de laag ZnO NRs heeft een grote invloed op de oriëntatie van de NR arrays; Daarom, om goed georiënteerde NRs storten, de kristallisatie van de zaad-laag moet juist gecontroleerde9.
In dit werk, worden de AZO films voorbereid door theRadio-frequentie (RF) sputteren techniek. Vergeleken met andere technieken, is RF sputteren bekend om zijn een efficiënte technologie die kan worden overgedragen aan de industrie voor het is een betrouwbare afzetting techniek, waarmee de synthese van hoge zuiverheid, uniform, glad en zelf duurzame AZO dunne lagen te groeien over groot gebied substraten. Met behulp van de RF kathodische depositie kan de vorming van hoge kwaliteit AZO films die hoge kristallisatie met verminderde ruwheid van oppervlak exposeren. In de daaropvolgende groei laag, zijn daarom zeer de oriëntaties van de NRs uitgelijnd, zelfs meer dus als in vergelijking met ZnO films bereid volgens de methode van de sol-gel. Met behulp van deze techniek, kan de PCE van de omgekeerde klein molecuul zonnecellen gebaseerd op goed uitgelijnd verticaal georiënteerd ZnO NR arrays 6.01% bereiken.
Protocol
Representative Results
Discussion
Door gebruik te maken van de NRs tussenlaag, kan de Jsc zowel de FF van de apparaten worden verbeterd. De oppervlakteruwheid van NRs zal echter ook invloed op de latere processen. Dus, de afdrukstand en de bovengrondse morfologie van de NRs moeten zorgvuldig gemanipuleerd worden. Voor een lange tijd verwerkt de sol-gel ETL zoals TiO2 en ZnO werden vaak gebruikt in PSC’s als gevolg van hun eenvoudige procedures. Echter de kristallisatie van sol-gel verwerkt lagen is over het algemeen van de amorfe ty…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs bedank het National Science Raad van China voor de financiële ondersteuning van dit onderzoek onder Contract nr. MEESTE 106-2221-E-239-035, en de meeste 106-2119-M-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 |
References
- Dou, L., et al. Tandem polymer solar cells featuring a spectrally matched low-bandgap polymer. Nat. Photonics. 6 (3), 180-185 (2012).
- You, J., et al. Metal Oxide Nanoparticles as an Electron-Transport Layer in High Performance and Stable Inverted Polymer Solar Cells. Adv. Mater. 24 (38), 5267-5272 (2012).
- Dou, L., et al. Systematic Investigation of Benzodithiophene- and Diketopyrrolopyrrole-Based Low-Bandgap Polymers Designed for Single Junction and Tandem Polymer Solar Cells. J. Am. Chem. Soc. 134 (24), 10071-10079 (2012).
- Li, G., Zhu, R., Yang, Y. Polymer solar cells. Nat. Photonics. 6 (3), 153-161 (2012).
- You, J., et al. A polymer tandem solar cell with 10.6% power conversion efficiency. Nat. Commun. 4, 1446 (2013).
- Chen, J. D., et al. Single-Junction Polymer Solar Cells Exceeding 10% Power Conversion Efficiency. Adv. Mater. 27 (6), 1035-1041 (2015).
- Zhang, H., et al. Developing high-performance small molecule organic solar cells via a large planar structure and an electron-withdrawing central unit. Chem. Commun. 53, 451-454 (2017).
- Zhou, H., et al. Conductive Conjugated Polyelectrolyte as Hole-Transporting Layer for Organic Bulk Heterojunction Solar Cells. Adv. Mater. 26 (5), 780-785 (2014).
- Lin, M. Y., et al. Enhance the light-harvesting capability of the ITO-free inverted small molecule solar cell by ZnO nanorods. Opt. Express. 24 (16), 17910-17915 (2016).
- Liu, Y., et al. Solution-processed small-molecule solar cells: breaking the 10% power conversion efficiency. Sci. Rep. 3, 3356 (2013).
- Farahat, M. E., et al. Toward environmentally compatible molecular solar cells processed from halogen-free solvents. J. Mater. Chem. A Mater. Energy Sustain. 4 (19), 7341-7351 (2016).
- Lin, M. Y., et al. Plasmonic ITO-free polymer solar cell. Opt. Express. 22 (S2), A438-A445 (2014).
- Donato, A., et al. RF sputtered ZnO-ITO films for high temperature CO sensors. Thin Solid Films. 517 (22), 6184-6187 (2009).
- Lin, M. Y., et al. Sol-gel processed CuOx thin film as an anode interlayer for inverted polymer solar cells. Org. Electron. 11 (11), 1828-1834 (2010).
- Vandewal, K., et al. On the origin of the open-circuit voltage of polymer-fullerene solar cells. Nat. Mater. 8, 904-909 (2009).
- Sharma, R., et al. X-ray diffraction: a powerful method of characterizing nanomaterials. Recent Research in Science and Technology. 4 (8), 77-79 (2012).
- Huggett, J. M., Shaw, H. F. Field emission scanning electron microscopy a high-resolution technique for the study of clay minerals in sediments. Clay Miner. 32, 197-203 (1997).
- Lou, S., et al. Laser beam homogenizing system design for photoluminescence. Appl. Opt. 53 (21), 4637-4644 (2014).
- Huang, J. S., Lin, C. F. Influences of ZnO sol-gel thin film characteristics on ZnO nanowire arrays prepared at low temperature using all solution-based processing. J. Appl. Phys. 103, 014304 (2008).
- Leung, S. F., et al. Light Management with Nanostructures for Optoelectronic Devices. J. Phys. Chem. Lett. 5, 1479-1495 (2014).
- Lee, C. Y., et al. White-light electroluminescence from ZnO nanorods/polyfluorene by solution-based growth. Nanotechology. 20 (42), (2009).
