Summary

Controllo Morfologia per Bulk-eterogiunzione completamente stampabili celle solari organiche-inorganici a base di un Ti-alcossido e semiconduttore Polymer

Published: January 10, 2017
doi:

Summary

Metodo per completamente stampabili, privo di fullerene, altamente aria-stabile, bulk-eterogiunzione celle solari basate su alcossidi Ti come accettore di elettroni e la fabbricazione del polimero elettron donatore viene qui descritto. Inoltre, viene segnalato un metodo per controllare la morfologia dello strato fotoattivo attraverso l'ingombro molecolare delle unità Ti-alcossido.

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

Dispositivi fotovoltaici organici sono considerate fonti di energia rinnovabili promettenti a causa del loro basso costo di produzione e il peso leggero 1-7. A causa di questi vantaggi, un gran numero di scienziati sono stati immersi in questo settore promettente. Negli ultimi dieci anni, dye-sensitized, a film sottile organico, e celle solari sensibilizzate perovskite hanno raggiunto progressi significativi in termini di efficienza di conversione di potenza in questo settore 8.

In particolare, le celle solari a film sottile organico e la tecnologia delle celle solari BHJ organici a film sottile sono soluzioni efficienti ed economiche per l'utilizzo dell'energia solare. Inoltre, l'efficienza di conversione dell'energia ha raggiunto oltre il 10% con l'uso di polimeri a bassa band-gap come i derivati donatori di elettroni e fullerene come accettore di elettroni (Phenyl-C 61 -Butyric-acido-metilestere: [60] PCBM o fenil-C 71 -Butyric-acido-estere metilico: [70] PCBM) 9-11. Inoltre, alcuni ricercatori have già segnalato l'importanza della struttura BHJ nello strato fotoattivo, che è costruito con polimeri a bassa band-gap e derivati ​​fullerene di ottenere una elevata efficienza complessiva. Tuttavia, i derivati ​​fullerene sono sensibili ad aria. Pertanto, un materiale di elettroni accettare aria stabile è richiesto come alternativa. Alcuni rapporti precedentemente suggerito nuovi tipi di celle fotovoltaiche organiche che hanno usato di tipo n polimeri semiconduttori o ossidi metallici come accettori di elettroni. Questi rapporti sostenuto lo sviluppo di liberi-fullerene, organici celle solari a film sottile aria-stabile 12-15.

Tuttavia, a differenza di fullerene sistemi o sistemi polimerici semiconduttore di tipo n, ottenendo prestazioni soddisfacenti della struttura BHJ nello strato fotoattivo, che ha separazione di carica e le capacità di trasferimento di carica, è difficile in sistemi ossido di metallo 16-17. Inoltre, i derivati ​​fullerene e di tipo n polimeri semiconduttori hanno elevata solubilitàin molti solventi. Pertanto, è facile controllare la morfologia dello strato fotoattivo selezionando una soluzione di inchiostro come solvente, che è il precursore dello strato fotoattivo 18-20. Al contrario, nel caso di sistemi di alcossido di metallo utilizzati in combinazione con un polimero elettron-donatore, entrambi semiconduttori sono insolubili in quasi tutti i solventi. Questo perché alcossidi metallici non hanno una elevata solubilità nel solvente. Pertanto, la selettività di solventi per il controllo della morfologia è estremamente bassa.

In questo articolo, riportiamo un metodo per controllare la morfologia dello strato fotoattivo utilizzando ingombro molecolare per fabbricare celle solari stampabili e altamente aria-stabile BHJ. Descriviamo l'importanza del controllo della morfologia per il progresso delle celle solari BHJ priva di fullerene.

Protocol

1. Preparazione di indio-stagno-ossido (ITO) vetro per Cell Fabrication solare Tagliare il substrato ITO / vetro. Utilizzando un cutter vetro, tagliare il substrato ITO / vetro (10 × 10 cm) in pezzi misura circa 2 cm × 2 cm. Chimicamente incidere lo strato conduttivo ITO. Utilizzando un multimetro digitale, verificare che la parte superiore del pezzo ITO / vetro ha un lato conduttivo. Posizionare nastro adesivo su entrambi i lati del pezzo ITO / vetro, lascian…

Representative Results

Abbiamo presentato un protocollo per la fabbricazione di cellule completamente stampabili organici-inorganici BHJ solari, nonché un metodo per controllare la struttura separatore di fasi. Le prestazioni di celle solari è stato ampiamente studiato 27-31 quando (IV) isopropossido e etossido stati usati Ti come elettron-accettando materiali (Figura 1). Queste celle solari esibito un cortocircuito densità di corrente (Jsc) che è circa otto volte superiore a qu…

Discussion

Al fine di utilizzare ingombro della molecola in questo metodo, è importante conoscere le condizioni per la formazione di film di spin coating. Innanzitutto, i p-type e n-semiconduttori di tipo devono poter essere sciolto in solventi. Quando alcuni materiale rimane, diventerà il grande nucleo dei domini nello strato fotoattivo. L'uso di un filtro commerciale adeguata per singoli solventi si raccomanda di rimuovere il materiale rimanente. Successivamente, la soluzione precursore in cui le molecole si dissolvono dev…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Questo lavoro è stato parzialmente supportato dal JSPS KAKENHI di Grant numero 25.871.029, la Nippon Sheet Glass Fondazione per la Scienza dei Materiali e Ingegneria, e la Tochigi Industrial Promotion Center. Il National Institute of Technology, Oyama College, anche aiutato con le spese per la pubblicazione di questo articolo.

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

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Kato, T., Oinuma, C., Otsuka, M., Hagiwara, N. Morphology Control for Fully Printable Organic–Inorganic Bulk-heterojunction Solar Cells Based on a Ti-alkoxide and Semiconducting Polymer. J. Vis. Exp. (119), e54923, doi:10.3791/54923 (2017).

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