Ben allineati verticalmente orientato ZnO Nanorod matrici e la loro applicazione in invertito piccola molecola solare celle
Summary
Questo manoscritto descrive come progettare e fabbricare efficiente SMPV1:PC invertito71BM celle solari con nanorod di ZnO (NRs) coltivato su uno strato di seme di alta qualità Al-drogati ZnO (AZO). Ben allineati verticalmente orientato ZnO NRs espositivo elevate proprietà cristallina. L’efficienza di conversione di potenza delle celle solari possa raggiungere 6,01%.
Abstract
Questo manoscritto descrive come progettare e fabbricare efficienti celle solari invertite, che sono basate su una molecola piccola coniugata bidimensionale (SMPV1) e [6,6] – fenil – C71-estere metilico di acido butirrico (PC71BM), utilizzando nanorod di ZnO (NRs) coltivato su uno strato di seme di alta qualità Al-drogati ZnO (AZO). Le celle solari di71BM SMPV1:PC invertito con NRs ZnO che è cresciuto su uno strato di seme AZO trasformati sputtered e sol-gel sono fabbricate. Confrontato con il film sottile AZO preparato con il metodo sol-gel, la pellicola sputtered AZO esibisce cristallizzazione migliore e più bassa rugosità superficiale, secondo diffrazione di raggi x (XRD) e misure di forza atomica (AFM) microscopio. L’orientamento della NRs di ZnO cresciuto su uno strato di seme AZO sputtered vede meglio allineamento verticale, che è benefico per la deposizione dello strato attivo successivo, formando morfologie di superficie migliore. Generalmente, la morfologia superficiale dello strato attivo principalmente domina il fattore di riempimento (FF) dei dispositivi. Di conseguenza, la NRs ZnO ben allineati può essere utilizzato per migliorare la raccolta di vettore dello strato attivo e per aumentare la FF delle celle solari. Inoltre, come una struttura anti-riflesso, può essere utilizzato anche per migliorare la raccolta luce del livello di assorbimento, con l’efficienza di conversione di energia (PCE) di celle solari raggiungendo 6,01%, superiore a sol-gel a base di celle solari con un’efficienza di 4,74 %.
Introduction
Dispositivi fotovoltaici organici di (OPV) recentemente hanno subito notevoli sviluppi nell’applicazione delle fonti energetiche rinnovabili. Tali dispositivi organici hanno molti vantaggi, tra cui il processo di soluzione di compatibilità, peso leggero, basso costo, flessibilità, ecc.1,2,3,4,5 fino ad ora, celle solari polimeriche (PSC) con un PCE di più del 10% sono state sviluppate utilizzando polimeri coniugati mescolati con PC71BM6. Rispetto agli sportelli unici a base di polimeri, piccola base molecolare OPVs (SM-OPVs) hanno attirato più attenzione quando si tratta di fabbricare OPVs dovuto loro diversi vantaggi distinti, tra cui strutture chimiche ben definite, facile sintesi e purificazione, e generalmente più alta tensione di circuito aperto (Voc)7,8,9. Allo stato attuale, una struttura a 2-D coniugato piccola molecola 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) con BDT-T (benzo [1,2-b:4., 5-b’] bitiofene) come l’unità centrale e da 3-octylrodanine come il fine-gruppo elettron-attrattori10 è stato progettato e utilizzato per miscela con PC71BM per promettente applicazione OPVs sostenibile. Il PCE di celle solari convenzionali piccola molecola (SM-OPVs) basato su SMPV1 mescolato con PC71BM ha raggiunto più di 8,0%10,11.
In passato, gli sportelli unici potrebbero essere migliorati e ottimizzati semplicemente regolando lo spessore dello strato attivo. Tuttavia, a differenza di sportelli unici, SM-OPVs in generale hanno una minore lunghezza di diffusione, che limita notevolmente lo spessore dello strato attivo. Quindi, per aumentare ulteriormente la densità di corrente breve (Jsc) di SM-OPVs, utilizzando il nano-struttura12 o NRs9 per migliorare assorbimento ottico della SM-OPVs è diventato necessario.
Tra questi metodi, la struttura di NRs anti-riflesso è generalmente efficace per la raccolta luce del livello attivo su una vasta gamma di lunghezze d’onda; di conseguenza, saper crescere ben allineati verticalmente orientata ossido di zinco (ZnO) NRs è molto critica. La rugosità superficiale dello strato semi sotto lo strato di ZnO NRs ha una grande influenza sull’orientamento delle matrici NR; Pertanto, al fine di depositare NRs ben orientata, la cristallizzazione del livello seme deve essere precisamente controllata9.
In questo lavoro, le pellicole AZO sono preparate da theRadio-frequenza (RF) tecnica di sputtering. Rispetto ad altre tecniche, RF sputtering è conosciuto per essere una tecnologia efficiente che è trasferibile all’industria per esso è una tecnica di deposizione affidabile, che permette la sintesi di elevata purezza, uniforme, liscia e auto-sostenibile AZO film sottile a crescere su substrati di ampia area. Utilizzante la RF sputtering deposizione favorisce la formazione di pellicole di alta qualità AZO che presentano elevata cristallizzazione con ridotta rugosità della superficie. Quindi, nel livello di crescita successiva, gli orientamenti della NRs sono altamente allineati, ancora più così se paragonato ai film di ZnO preparato con il metodo sol-gel. Utilizzando questa tecnica, il PCE delle celle solari invertito piccola molecola basata sulle matrici di ZnO NR orientate verticalmente ben allineate possa raggiungere 6,01%.
Protocol
Representative Results
Discussion
Utilizzando l’intercalare di NRs, sia la Jsc e la FF dei dispositivi può essere migliorata. Tuttavia, la rugosità di superficie di NRs influenzerà anche i processi successivi. Pertanto, l’orientamento e la morfologia superficiale della NRs deve essere manipolati con attenzione. Per lungo tempo, il sol-gel elaborazione ETL come TiO2 e ZnO sono stati comunemente utilizzati in sportelli unici a causa loro procedure semplici. Tuttavia, la cristallizzazione di strati trattati di sol-gel è generalment…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Gli autori vorrei ringraziare il Consiglio scienza nazionale della Cina per il sostegno finanziario di questa ricerca sotto contratto no. La maggior parte 106-2221-E-239-035 e la maggior parte dei 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).
