Bien alineados verticalmente orientado a ZnO Nanorod matrices y su aplicación en invertida pequeña molécula de las células solares
Summary
Este manuscrito describe cómo diseñar y fabricar células solares eficientes SMPV1:PC invertido71BM nanorods de ZnO (NRs) crecido en una capa de semilla del ZnO dopado Al (AZO) de alta calidad. Bien alineados verticalmente orientado a NRs ZnO exhiben alta cristalinas propiedades. La eficiencia de conversión de energía de células solares puede llegar a 6.01%.
Abstract
Este manuscrito describe cómo diseñar y fabricar eficientes células solares invertidas, que se basan en una pequeña molécula conjugada bidimensional (SMPV1) y [6,6] – fenil – C71-metilester de ácido butírico (PC71BM), mediante la utilización de nanorods de ZnO (NRs) crecido en una capa de semilla del ZnO dopado Al (AZO) de alta calidad. Se fabrican las células SMPV1:PC invertido71BM solares con NRs de ZnO que creció en una capa procesada semilla AZO pulverización y sol-gel. En comparación con la película fina AZO preparada por el método sol-gel, la pulverización fina película AZO exhibe mejor cristalización y baja rugosidad superficial, según difracción de rayos x (DRX) y mediciones de fuerza atómica (AFM) de microscopio. La orientación de la NRs de ZnO en una capa de semilla AZO pulverización muestra mejor alineación vertical, que es beneficiosa para la deposición de la capa activa posterior, formando morfologías superficiales mejor. En general, la morfología superficial de la capa activa domina principalmente el factor de llenado (FF) de los dispositivos. En consecuencia, el NRs bien alineados de ZnO puede utilizarse para mejorar la colección de soporte de la capa activa y aumentar el FF de las células solares. Por otra parte, como una estructura de la reflexión, también pueden ser utilizado para mejorar la cosecha ligero de la capa de absorción, con la eficiencia de conversión de energía (PCE) de células solares llegando a 6.01%, mayor que el sol-gel basado en células solares con una eficiencia de 4.74 %.
Introduction
Dispositivos fotovoltaicos orgánicos de (OPV) recientemente han experimentado notables progresos en la aplicación de las energías renovables. Tales dispositivos orgánicos tienen muchas ventajas, incluyendo el proceso de solución de compatibilidad, flexibilidad, bajo costo, peso ligero, etc.1,2,3,4,5 hasta ahora, de células solares poliméricas (PSC) con un PCE de más del 10% han sido desarrolladas mediante la utilización de los polímeros conjugados con PC71BM6. Comparado con el PSC con polímeros, pequeña molécula base VPL (SM-VPL) ha atraído más atención cuando se trata de fabricación de VPL debido a sus varias ventajas, incluyendo estructuras químicas bien definidas, fácil síntesis y purificación, y generalmente mayores voltajes de circuito abierto (Voc)7,8,9. En la actualidad, una estructura de 2-D conjugada molécula pequeña 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’] dithiophene) como la unidad de base y 3-octylrodanine final-Grupo electrón-retirar10 ha sido diseñado y usado para mezcla con PC71BM prometedora aplicación sostenible de VPL. El PCE de células solares de molécula pequeña convencional (SM-VPL) basado en SMPV1 con PC71BM ha alcanzado más de 8.0%10,11.
En el pasado, PSCs podrían ser mejorados y optimizados simplemente ajustando el espesor de la capa activa. Sin embargo, a diferencia de los PSCs, SM-VPL en general tiene una longitud más corta de la difusión, que limita considerablemente el espesor de la capa activa. Por lo tanto, para aumentar aún más la poca densidad de corriente (Jsc) de VPL de SM, utilizando la nano-estructura12 o NRs9 para mejorar la absorción óptica de SM-VPL llegó a ser necesario.
Entre estos métodos, la estructura de NRs antirreflectante es generalmente eficaz para cosechar ligero de la capa activa en una amplia gama de longitudes de onda; por lo tanto, saber cómo crecer bien alineados verticalmente orientado de óxido de zinc (ZnO) NRs es muy crítico. La rugosidad de la superficie de la capa de semilla debajo de la capa de ZnO NRs tiene una gran influencia en la orientación de los arreglos de NR; por lo tanto, para poder depositar NRs bien orientadas, la cristalización de la capa de semilla debe ser precisamente controlada9.
En este trabajo, se preparan las películas AZO radiales-frecuencia (RF) técnica de sputtering. En comparación con otras técnicas, RF sputtering es conocido por ser una tecnología eficiente que es transferible a la industria porque es una técnica de deposición confiable, que permite la síntesis de alta pureza, uniforme, lisa y autosustentable AZO películas delgadas para crecer sobre sustratos de gran superficie. Utilizando la RF sputtering deposición permite la formación de películas de alta calidad AZO que exhiben alta cristalización con menor rugosidad de la superficie. Por lo tanto, en la capa de crecimiento posterior, las orientaciones de la NRs están altamente alineadas, más aún en comparación con películas de ZnO preparadas por el método sol-gel. Usando esta técnica, el PCE de las células solares de molécula pequeña invertida basada en matrices de ZnO NR orientadas verticalmente bien alineados puede llegar a 6.01%.
Protocol
Representative Results
Discussion
Mediante la utilización de la capa intermediaria de NRs, pueden mejorarse la Jsc y el FF de los dispositivos. Sin embargo, la rugosidad de la superficie de NRs también influirá en los posteriores procesos. Así, la orientación y la morfología superficial del NRs deben ser manipulados con cuidado. Durante mucho tiempo, el sol-gel procesados ETL como TiO2 y ZnO fueron utilizados comúnmente en PSC debido a sus sencillos procedimientos. Sin embargo, la cristalización de las capas del sol-gel proc…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Los autores desean agradecer el Consejo Nacional de ciencia de China, para el apoyo financiero de esta investigación bajo contrato no. La mayoría 106-2221-E-239-035 y la mayoría 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).
