الطريقة المحيطة لإنتاج وIonically عن طريق بوابة الأنابيب الجزيئية الكربونية القطب السالب المشترك جنبا الى جنب في خلايا الشمسية العضوية
Summary
A method of fabricating, in ambient conditions, organic photovoltaic tandem devices in a parallel configuration is presented. These devices feature an air-processed, semi-transparent, carbon nanotube common cathode.
Abstract
A method of fabricating organic photovoltaic (OPV) tandems that requires no vacuum processing is presented. These devices are comprised of two solution-processed polymeric cells connected in parallel by a transparent carbon nanotubes (CNT) interlayer. This structure includes improvements in fabrication techniques for tandem OPV devices. First the need for ambient-processed cathodes is considered. The CNT anode in the tandem device is tuned via ionic gating to become a common cathode. Ionic gating employs electric double layer charging to lower the work function of the CNT electrode. Secondly, the difficulty of sequentially stacking tandem layers by solution-processing is addressed. The devices are fabricated via solution and dry-lamination in ambient conditions with parallel processing steps. The method of fabricating the individual polymeric cells, the steps needed to laminate them together with a common CNT cathode, and then provide some representative results are described. These results demonstrate ionic gating of the CNT electrode to create a common cathode and addition of current and efficiency as a result of the lamination procedure.
Introduction
أشباه الموصلات البوليمر هي الرائدة الضوئية العضوية (OPV) المواد بسبب الامتصاصية العالية، وخصائص نقل جيدة، والمرونة، والتوافق مع ركائز الحساسة درجة الحرارة. جهاز OPV كفاءة تحويل الطاقة، η، وقفزت بشكل كبير في السنوات الماضية، مع واحدة من الكفاءة خلية عالية مثل 9.1٪ 1، مما يجعلها تكنولوجيا الطاقة القابلة للحياة على نحو متزايد.
على الرغم من التحسينات في η، وأفضل سمك الطبقة النشطة رقيقة من الأجهزة تحد من امتصاص الضوء وتعيق تصنيع موثوقة. بالإضافة إلى ذلك، فإن العرض الطيفي للامتصاص الضوء من كل البوليمر ومحدودة بالمقارنة مع المواد غير العضوية. البوليمرات المزاوجة بين اختلاف الحساسية الطيفية تجاهلت هذه الصعوبات، مما يجعل أبنية جنبا إلى جنب 2 على الابتكار ضروريا.
أجهزة سلسلة جنبا إلى جنب هي العمارة جنبا إلى جنب الأكثر شيوعا. في هذا التصميم، والعتاد نقل الإلكترونالقاعدة وهو طبقة إعادة التركيب المعدني اختيارية، وطبقة النقل حفرة ربط طبقتين متفاعل للضوء مستقلة تسمى خلايا فرعية. ربط خلايا فرعية في تكوين سلسلة يزيد من الجهد الدائرة المفتوحة من الجهاز الجمع. وكان بعض الجماعات النجاح مع طبقات النقل مخدر degenerately 5 – 3، ولكن قد استخدمت أكثر من مجموعات جزيئات الذهب أو الفضة لمساعدة إعادة التركيب من الثقوب والالكترونات في البينية 6،7.
في المقابل، المقعدين موازية تتطلب عالية التوصيل الكهربائي، إما الأنود أو القطب السالب، والانضمام إلى طبقتين النشطة. يجب أن يكون بين طبقات شفافة للغاية، الأمر الذي يحد من سلسلة interlayers جنبا إلى جنب تحتوي على جزيئات معدنية، وأكثر من ذلك لinterlayers جنبا إلى جنب موازية مؤلفة من رقيقة، وأقطاب معدنية مستمرة. تظهر أنابيب الكربون النانوية (CNT) ورقة شفافية أعلى من طبقات معدنية. لذا معهد تكنولوجيا النانو، بالتعاون مع جامعة شيمان، لديها كثافة العملياتالعمليات roduced مفهوم استخدام مثل القطب البينية في متجانسة والأجهزة جنبا إلى جنب موازية 8.
وتضمنت الجهود السابقة متجانسة، موازية، والأجهزة جنبا إلى جنب مع أوراق OPV CNT تعمل كما الأنودات البينية 8،9. هذه الأساليب تتطلب رعاية خاصة لتجنب التقليل من احد أو كلا خلايا أو طبقات السابقة الضارة عند إيداع طبقات لاحقة. طريقة جديدة وصفها في هذه الورقة يخفف تلفيق عن طريق وضع القطب CNT على رأس الطبقات النشطة البوليمرية من خليتين واحدة، ثم الترقق اثنين من أجهزة منفصلة معا كما هو مبين في الشكل (1). وهذه الطريقة لافت للنظر فيه الجهاز، بما في ذلك الهواء -stable CNT الكاثود، يمكن أن تكون ملفقة تماما في الظروف المحيطة التي تستخدم فقط معالجة الجفاف والحل.
أوراق CNT ليست جيدة اقطاب في جوهرها، لأنها تتطلب من نوع ن المنشطات للتقليل من وظيفة العمل من أجل جمع الإلكترونات من المنطقة متفاعل للضوءمن الخلايا الشمسية 10. طبقة مزدوجة الكهربائية شحن في المنحل بالكهرباء، مثل السوائل الأيونية، ويمكن استخدامها لتحويل وظيفة عمل CNT أقطاب 11-14.
كما هو موضح في ورقة السابقة 15 ومبين في الشكل 2، عندما الجهد البوابة (بوابة V) هو الزيادات، وانخفاض وظيفة عمل من القطب المشترك CNT، وخلق التماثل الكهربائي. هذا يمنع جمع حفرة من الجهات المانحة لقاح شلل الأطفال الفموي لصالح جمع الإلكترونات من متقبل لقاح شلل الأطفال الفموي ل، وأجهزة تشغيل، وتغيير فعال في مقاومة ضوئية من الثنائي الضوئي 15 السلوك. كما تجدر الإشارة إلى أن الطاقة المستخدمة لشحن الجهاز وقوة فقدت بسبب تسرب التيارات البوابة وتافهة بالمقارنة مع الطاقة المولدة من الخلايا الشمسية 15. النابضة الأيونية من الأقطاب الكهربائية CNT له تأثير كبير على وظيفة العمل بسبب كثافة منخفضة من الدول وارتفاعمساحة السطح إلى نسبة الحجم في أقطاب المجلس الوطني الانتقالي. وقد استخدمت أساليب مماثلة لتعزيز حاجز شوتكي في واجهة CNT مع N-سي 16.
Protocol
Representative Results
Discussion
النتائج تسلط الضوء على بعض الاعتبارات عند تصميم الخلايا الشمسية جنبا إلى جنب الموازي. خصوصا، إذا كان أحد الخلايا الفرعية والأداء الضعيف، والأداء جنبا إلى جنب في يتأثر سلبا. بينت النتائج أن هناك نوعان من الآثار الرئيسية. إذا قلل خلية فرعية واحدة، على سبيل المثال،</em…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Support for this work was provided by DOE STTR grant DE-SC0003664 on Parallel Tandem Organic Solar Cells with Carbon Nanotube Sheet Interlayers and Welch Foundation grant AT-1617. The authors thank J. Bykova for providing CNT forests and A. R. Howard, K. Meilczarek, and J. Velten for technical assistance and useful discussions.
Materials
| Name of Material/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
| Poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly-(styrenesulfonate) | Heraeus | Clevios PVP AI 4083 | |
| poly(3- hexylthiophene-2,5-diyl) | Rieke Metals Inc. | P3HT: P200 | |
| phenyl-C61 -butyric acid methyl ester | 1- Material | PC61BM | |
| Poly({4,8-bis[(2-ethylhexyl)oxy]benzo[1,2-b:4,5-b′]dithiophene-2,6-diyl}{3-fluoro-2-[(2-ethylhexyl)carbonyl]thieno[3,4-b]thiophenediyl}) | 1- Material | PTB7 | |
| phenyl-C61 -butyric acid methyl ester | Solenne | PC71BM | |
| 1,8-Diiodooctane | Sigma Aldrich | 250295 | |
| Chlorobenzene | Sigma Aldrich | 284513 | |
| Indium Tin Oxide Coated Glass 15 Ohm/SQ | Lumtec | ||
| S1813 | UTD Cleanroom | ||
| MF311 | UTD Cleanroom | ||
| HCl | UTD Cleanroom | ||
| Acetone | Fisher Scientific | A18-20 | |
| Toluene | Fisher Scientific | T323-20 | |
| Methanol | BDH | BDH1135-19L | |
| Isopropanol | Fisher Scientific | A416-20 | |
| CEE Spincoater | Brewer Scientific | http://www.utdallas.edu/research/cleanroom/tools/CEESpinCoater.htm | |
| Contact Printer | Quintel | Q4000-6 | http://www.utdallas.edu/research/cleanroom/QuintelPrinter.htm |
| CPK Spin Processor | http://www.utdallas.edu/research/cleanroom/tools/CPKsolvent.htm | ||
| Spin Coater | Laurell | WS-400-6NPP/LITE | |
| Glove Box | M-Braun | Lab Master 130 | |
| Solar Simulator | Thermo Oriel/Newport | ||
| Keithley 2400 SMU | Keithley/Techtronix | 2400 | |
| Keithley 7002 Multiplexer | Keithley/Techtronix | 7002 | |
| Ultrasonic Cleaner | Kendal | HB-S-49HDT | |
| Micropipette | Eppendorf | 200uL | |
References
- 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. Nature Photonics. 6, 591-595 (2012).
- Yuan, Y., Huang, J., Li, G. Intermediate layers in tandem organic solar cells. Green. 1 (1), 65-80 (2011).
- Kim, J. Y., et al. Efficient tandem polymer solar cells fabricated by all-solution processing. Science. 317 (5835), 222-225 (2007).
- Yu, B., Zhu, F., Wang, H., Li, G., Yan, D. All-organic tunnel junctions as connecting units in tandem organic solar cell. Journal of Applied Physics. 104 (11), (2008).
- Schueppel, R., et al. Controlled current matching in small molecule organic tandem solar cells using doped spacer layers. Journal of Applied Physics. 107 (4), (2010).
- Hiramoto, M., Suezaki, M., Yokoyama, M. Effect of thin gold interstitial-layer on the photovoltaic properties of tandem organic solar cell. Chemistry Letters. 19 (3), 327-330 (1990).
- Xue, J., Uchida, S., Rand, B. P., Forrest, S. R. Asymmetric tandem organic photovoltaic cells with hybrid planar-mixed molecular heterojunctions. Applied Physics Letters. 85 (23), 5757 (2004).
- Tanaka, S., et al. Monolithic parallel tandem organic photovoltaic cell with transparent carbon nanotube interlayer. Applied Physics Letters. 94 (11), (2009).
- Mielczarek, K., Cook, A., Kuznetsov, A., Zakhidov, A. OPV Tandems with CNTS: Why Are Parallel Connections Better Than Series Connections. Low-Dimensional Functional Materials. , 179-204 (2013).
- Kim, J. Y., et al. Efficient tandem polymer solar cells fabricated by all-solution processing. Science. 317 (5835), 222-225 (2007).
- Kuznetsov, A. A. . Physics of electron field emission by self-assembled carbon nanotube arrays. , (2008).
- Kuznetzov, A. A., Lee, S. B., Zhang, M., Baughman, R. H., Zakhidov, A. A. Electron field emission from transparent multiwalled carbon nanotube sheets for inverted field emission displays. Carbon. 48 (1), 41-46 (2010).
- Zakhidov, A. A., Suh, D. -. S., et al. Electrochemically Tuned Properties for Electrolyte-Free Carbon Nanotube Sheets. Advanced Functional Materials. 19 (14), 2266-2272 (2009).
- Cook, A., Yuen, J. D., Zakhidov, A. Ion-Reconfigurable photovoltaic cells, hybrid tandems and photodetectors with CNT ionic gate. US Patent Application. 61, (2012).
- Cook, A. B., Yuen, J. D., Zakhidov, A. Electrochemically gated organic photovoltaic with tunable carbon nanotube cathodes. Applied Physics Letters. 103 (16), (2013).
- Wadhwa, P., Liu, B., McCarthy, M. A., Wu, Z., Rinzler, A. G. Electronic Junction Control in a Nanotube-Semiconductor Schottky Junction Solar Cell. Nanoletters. 10 (12), 5001-5005 (2010).
