Morfologie Control for Volledig Printable organisch-anorganische bulk-heterojunctie zonnecellen op basis van een Ti-alkoxide en halfgeleidende polymeer
Summary
Een methode voor het volledig gedrukt te worden, fullereen-vrij, zeer lucht-stabiele, bulk-heterojunctie zonnecellen op basis van Ti alkoxiden als het elektron acceptor en het elektronen donerende polymeer fabricage wordt hier beschreven. Bovendien wordt een werkwijze voor het regelen van de morfologie van de fotoactieve laag door de moleculaire grote omvang van de Ti-alkoxide eenheden gerapporteerd.
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
Organische fotovoltaïsche apparaten worden beschouwd als veelbelovende hernieuwbare energiebronnen vanwege hun lage productiekosten en het lichte gewicht 1-7. Vanwege deze voordelen, heeft een groot aantal onderzoekers ondergaan waarbij deze veelbelovende. In het afgelopen decennium, kleurstof, organische dunne-film, en perovskiet zonnecellen hebben aanzienlijke vooruitgang in de macht omzettingsrendement bereikt op dit gebied 8.
In het bijzonder, organische dunne-film zonnecellen en BHJ organische dunne-film zonneceltechnologie zijn efficiënte en kosteneffectieve oplossingen voor het gebruik van zonne-energie. Bovendien heeft de energieomzetting bereikt dan 10% bij gebruik van lage-band-gap polymeren als de elektronendonor en fullereenderivaten als elektronenacceptor (Fenyl-C 61 boterzuur-zuur-methylester: [60] of PCBM fenyl-C 71 boterzuur-Acid-Methyl Ester: [70] PCBM) 9-11. Bovendien hebben sommige onderzoekers have reeds gemeld hoe belangrijk het BHJ structuur in de fotoactieve laag, die is gebouwd met een lage bandgap-polymeren en fullereenderivaten een hoog totaal rendement te verkrijgen. Echter, fullereenderivaten zijn lucht-gevoelig. Daarom is een lucht-stabiele elektronen-aannemende materiaal vereist als alternatief. Een paar rapporten eerder gesuggereerd nieuwe soorten organische fotovoltaïsche cellen die n-type halfgeleidende polymeren of metaaloxiden gebruikt als elektronen acceptoren. Deze rapporten ondersteunden de ontwikkeling van lucht-stabiele, fullereen-free, organische dunne-film zonnecellen 12-15.
In tegenstelling tot systemen of n-type halfgeleidend polymeersystemen fullereen, het verkrijgen van een goede uitvoering van de BHJ structuur in de fotoactieve laag, die ladingsscheiding en ladingsoverdracht capaciteiten heeft, is moeilijk metaaloxide systemen 16-17. Verder fullereenderivaten en n-type geleidende polymeren hebben een hoge oplosbaarheidin vele oplosmiddelen. Daarom is het gemakkelijk om de morfologie van de fotoactieve laag controleren door het selecteren van een inktoplossing als oplosmiddel, dat de voorloper van de fotoactieve laag 18-20. Daarentegen, in het geval van metaal alkoxide die worden gebruikt in combinatie met een elektronendonerende polymeer, beide halfgeleiders onoplosbaar in bijna alle oplosmiddelen. Dit komt omdat alkoxiden geen hoge oplosbaarheid in het oplosmiddel heeft. Daarom is de selectiviteit van oplosmiddelen voor morfologie controle extreem laag.
In dit artikel beschrijven we een methode voor het regelen van de morfologie van de foto-actieve laag met behulp van moleculaire lijvige om afdrukbare en zeer air-stabiele BHJ zonnecellen te fabriceren. We beschrijven het belang van de morfologie controle voor de voortgang van fullereen-vrije BHJ zonnecellen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Om grote omvang van het molecuul in deze werkwijze te gebruiken is het van belang de voorwaarden voor filmvorming door spincoating kennen. Ten eerste moet het p-type en n-type halfgeleiders kunnen worden opgelost in het oplosmiddel. Wanneer sommige materiaal blijft, zal de grote kern van de domeinen in de fotoactieve laag geworden. Het gebruik van een geschikte commerciële filter voor individuele oplosmiddelen wordt aanbevolen om het resterende materiaal te verwijderen. Vervolgens moet de precursor oplossing waarin de …
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd gedeeltelijk ondersteund door JSPS KAKENHI Grant nummer 25871029, de Nippon Sheet Glass Foundation for Materials Science and Engineering, en de Tochigi Industrial Promotion Center. Het National Institute of Technology, Oyama College, ook geholpen met de publicatie kosten van dit 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 |
Referenzen
- 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).
