Godt justert loddrett orientert ZnO Nanorod matriser og deres anvendelse i invertert små molekyl solceller
Summary
Denne oppgaven beskriver hvordan å designe og utvikle effektiv invertert SMPV1:PC71BM solceller med ZnO nanorods (NRs) dyrket på et høykvalitets Al-dopet ZnO (AZO) frø lag. Det godt justert loddrett orientert ZnO NRs utstillingen høy krystallinsk egenskaper. Makt konvertering effektiviteten til solceller kan nå 6.01%.
Abstract
Denne oppgaven beskriver hvordan å designe og utvikle effektiv invertert solceller, som er basert på en todimensjonal konjugert små molekyl (SMPV1) og [6,6] – fenyl – C71-butyric acid metyl ester (PC71BM), ved å benytte ZnO nanorods (NRs) dyrket på et høykvalitets Al-dopet ZnO (AZO) frø lag. Omvendt SMPV1:PC71BM solcellene med ZnO NRs som vokste på både et freste og sol-gel behandlet AZO frø lag er fabrikkert. Sammenlignet med den AZO tynnfilm utarbeidet av metoden sol-gel, utstillinger den freste AZO tynnfilm bedre krystallisering og lavere overflateruhet, røntgen Diffraksjon (XRD) og atomic force mikroskopet (AFM) mål. Retningen til ZnO NRs dyrket på et lag med freste AZO frø viser bedre vertikal justering, som er gunstig for avsetning av påfølgende aktive laget, danner bedre overflaten morphologies. Vanligvis dominerer overflaten morfologi av det aktive laget hovedsakelig fyllfaktoren (FF) av enhetene. Derfor kan godt justert ZnO NRs brukes til å forbedre samlingen bærer det aktive laget og øke FF av solcellene. Videre, som en anti-refleksjon struktur, kan det også benyttes for å forbedre lette høsting av absorpsjon laget, med makt konvertering effektivitet (PCE) til solceller nå 6.01% høyere enn sol-gel-baserte solenergi celler med en virkningsgrad på 4.74 %.
Introduction
Organisk photovoltaic (interessen) enheter har nylig gjennomgått bemerkelsesverdig utviklingen i anvendelsen av fornybare energikilder. Slike økologisk enheter har mange fordeler, inkludert løsningsprosessen kompatibilitet, lav pris, lav vekt, fleksibilitet, etc.1,2,3,4,5 til nå, polymer solceller (PSCer) med en PCE på mer enn 10% har blitt utviklet ved å benytte de konjugert polymerer blandet med PC71BM6. Sammenlignet med polymer-baserte PSCer, små molekyl-baserte OPVs (SM-OPVs) har fått mer oppmerksomhet når det gjelder fabrikere OPVs på grunn av deres flere forskjellige fordeler, inkludert veldefinerte kjemiske strukturer, lettvinte syntese og rensing, og generelt høyere åpen krets spenninger (Voc)7,8,9. I dag er en 2D-struktur konjugert små molekyl 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) med BDT-T (benzo [1,2-b:4, 5-b’] dithiophene) som viktige og 3-octylrodanine som elektron-uttak slutten-gruppe10 har vært utviklet og brukt til blanding med PC71BM for lovende bærekraftig OPVs programmet. PCE av konvensjonelle små molekyl solceller (SM-OPVs) basert på SMPV1 blandet med PC71BM har nådd mer enn 8.0%10,11.
Tidligere kunne PSCer forbedret og optimalisert ved å justere tykkelsen på det aktive laget. Men i motsetning til PSCer har SM-OPVs generelt en kortere diffusjon lengde, som sterkt begrenser tykkelsen på det aktive laget. For å ytterligere øke kort nåværende tetthet (Jsc) av SM-OPVs, ble det derfor nødvendig utnytte nano-struktur12 eller NRs9 for å forbedre optisk absorpsjon av SM-OPVs.
Blant disse metodene er antirefleks NRs strukturen generelt effektive for lette høsting av det aktive laget over et bredt spekter av bølgelengder; Det er derfor svært kritisk å vite hvordan å vokse godt justert loddrett sink oksid (ZnO) NRs. Overflateruhet av frø laget under ZnO NRs laget har stor innflytelse på retningen på NR arrayene; Derfor, for å innsette godt orientert NRs, krystallisering av frø laget må være nøyaktig kontrollert9.
I dette arbeidet, er AZO filmene utarbeidet av theRadio-Frequency (RF) sputtering teknikk. Sammenlignet med andre teknikker, er RF sputtering kjent for å være en effektiv teknologi som overføres til industrien for det er en pålitelig deponering teknikk, som lar syntesen av høy renhet, uniform, glatt og selvforsynt AZO tynne filmer å vokse stort område underlag. Utnytte RF sputtering deponering kan av høykvalitets AZO filmer som viser høy krystallisering med redusert grovheten på overflaten. Derfor påfølgende vekst laget, retningene av NRs svært justeres, enda mer så når sammenlignet med ZnO filmer utarbeidet av metoden sol-gel. Bruker denne teknikken, kan PCE av invertert små molekyl solcellene basert på godt justert loddrett ZnO NR matriser nå 6.01%.
Protocol
Representative Results
Discussion
Ved å benytte NRs folien, kan både Jsc og FF enhetene forbedres. Overflateruhet av NRs vil imidlertid også påvirke påfølgende prosesser. Dermed bør retningen og overflate morfologi av NRs nøye manipuleres. I lang tid behandlet sol-gel ETL som TiO2 og ZnO ble ofte brukt i PSCer på grunn av sin enkle prosedyrer. Men krystallisering av sol-gel behandlet lag er generelt av amorfe type, og overflaten morfologi av lagene er grov i fleste tilfeller. Derfor, i denne studien for å nøyaktig kontrol…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne ønsker å takke National Science Council av Kina for økonomisk støtte av denne forskningen under Kontraktnr. De fleste 106-2221-E-239-035, og de fleste 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).
