Bem alinhados verticalmente orientado ZnO Nanorod matrizes e sua aplicação em invertida pequena molécula células solares
Summary
Este manuscrito descreve como projetar e fabricar SMPV1:PC invertido eficientes células solares de71BM com ZnO nanorods (NRs), cultivadas em uma camada de sementes de ZnO dopado com Al (AZO) de alta qualidade. O bem alinhados verticalmente orientado ZnO NRs exposição elevadas Propriedades cristalinas. A eficiência de conversão de energia de células solares pode chegar a 6,01%.
Abstract
Este manuscrito descreve como projetar e fabricar invertidas células solares eficientes, que são baseadas em uma molécula pequena conjugada bidimensional (SMPV1) e [6,6] – fenil – C71-éster metílico de ácido butírico (PC71BM), utilizando ZnO nanorods (NRs) crescido em uma camada de sementes de ZnO dopado com Al (AZO) de alta qualidade. As células solares de71BM SMPV1:PC invertido com ZnO NRs que cresceu em ambos uma camada sputtered e sol-gel semente AZO transformados são fabricadas. Comparado com a película fina AZO, elaborada pelo método sol-gel, a película fina AZO sputtered exibe melhor cristalização e rugosidade da superfície inferior, de acordo com difração de raios x (XRD) e medições de força atômica (AFM) de microscópio. A orientação do NRs de ZnO cultivadas em uma camada de sementes AZO sputtered mostra melhor alinhamento vertical, que é benéfico para a deposição da camada ativa subsequente, formando a melhores superfície morfologias. Geralmente, a morfologia superficial da camada ativa principalmente domina o fator de preenchimento (FF) dos dispositivos. Consequentemente, as NRs de ZnO bem alinhados pode ser usado para melhorar a coleção de porta-aviões da camada ativa e aumentar o FF das células solares. Além disso, como uma estrutura de antireflexo, também pode ser utilizada para aumentar a luz da colheita da camada de absorção, com a eficiência de conversão de energia (PCE) de células solares atingindo 6,01%, maior do que o sol-gel à base de células solares com uma eficiência de 4,74 %.
Introduction
Dispositivos de (OPV) fotovoltaicos orgânicos recentemente foram submetidas a notável evolução na aplicação das fontes de energia renováveis. Tais dispositivos orgânicos têm muitas vantagens, incluindo a compatibilidade do processo de solução de baixo custo, de pouco peso, flexibilidade, etc.1,2,3,4,5 até agora, células solares de polímero (EPS) com um PCE de mais de 10% foram desenvolvidas utilizando os polímeros conjugados misturados com PC71BM6. Comparado ao PSCs baseado em polímero, pequenas molécula base OPVs (SM-OPVs) têm atraído mais atenção quando se trata de fabricar OPVs devido às suas várias vantagens distintas, incluindo estruturas químicas bem definidas, síntese facile e purificação, e geralmente mais elevada tensão de circuito aberto (Voc)7,8,9. Neste momento, uma estrutura de 2-D conjugados pequena molécula 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) com BDT-T (benzo [1,2-b:4, 5-b’] dithiophene) como a unidade do núcleo e 3-octylrodanine como o elétron-retirando final-grupo10 tem sido projetada e utilizada para mistura com PC71BM para aplicação de OPVs sustentável promissora. O PCE de células solares de molécula pequena convencional (SM-OPVs) baseado no SMPV1 misturado com PC71BM atingiu mais de 8,0%10,11.
No passado, EPS podem ser aprimorados e otimizados simplesmente ajustando a espessura da camada ativa. No entanto, ao contrário de EPS, SM-OPVs em geral têm um menor comprimento de difusão, o que limita consideravelmente a espessura da camada ativa. Portanto, para aumentar a densidade de corrente de curta (Jsc) de SM-OPVs, utilizar o nano-estrutura12 ou NRs9 para melhorar a absorção óptica de SM-OPVs tornou-se necessário.
Entre esses métodos, a estrutura de NRs anti-reflexo é geralmente eficaz para colheita luz da camada ativa ao longo de uma ampla gama de comprimentos de onda; Portanto, saber como crescer bem alinhados verticalmente orientado de óxido de zinco (ZnO) NRs é muito crítico. A rugosidade da superfície da camada abaixo da camada de ZnO NRs de sementes tem uma grande influência sobre a orientação das matrizes de NR; Portanto, para depositar NRs bem orientadas, a cristalização da camada de sementes deve ser precisamente controlada9.
Neste trabalho, os filmes AZO são preparados por rádio-frequência (RF), técnica que sputtering. Em comparação com outras técnicas, que sputtering RF é conhecido por ser uma tecnologia eficiente que é transferível a indústria, por isso é uma técnica de deposição de confiança, que permite a síntese de alta pureza, uniforme, Lisa e auto-sustentável AZO filmes finos para crescer sobre substratos de grande área. Utilizar o depoimento que sputtering RF permite a formação de filmes de alta qualidade AZO que apresentam alta cristalização com menor rugosidade da superfície. Portanto, na camada de crescimento subsequente, as orientações dos NRs altamente estão alinhadas, ainda mais assim, quando comparado com filmes de ZnO, elaborados pelo método sol-gel. Usando esta técnica, o PCE das células solares invertida pequena molécula com base em matrizes de ZnO NR bem alinhados verticalmente orientados pode chegar a 6,01%.
Protocol
Representative Results
Discussion
Utilizando o NRs intercalar, tanto o Jsc e o FF dos dispositivos podem ser melhorado. No entanto, a aspereza de superfície das NRs também irá influenciar os processos subsequentes. Assim, a orientação e a morfologia de superfície dos NRs devem ser cuidadosamente manipulados. Por um longo tempo, o sol-gel processados ETL como TiO2 e ZnO eram comumente usadas em PSCs devido aos seus procedimentos simples. No entanto, a cristalização das camadas de sol-gel processado é geralmente do tipo amorf…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Os autores gostaria de agradecer o Conselho ciência nacional da China para o apoio financeiro da pesquisa sob contrato n º A maioria dos 106-2221-E-239-035 e a maioria dos 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 |
Referencias
- 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).
