에 Ti-알콕사이드와 반도체 성 고분자를 기반으로 어느 정도의 인쇄 가능한 유기 - 무기 대량 이종 접합 태양 전지에 대한 형태 제어
Summary
전자 수용체와 전자 공여 중합체 제조와 같은 티타늄 알콕시 드에 기초한 완전히 인쇄 풀러렌없이 높은 공기 안정 벌크 헤테로 접합 태양 전지를위한 방법이 여기서 설명된다. 또한, 상기 티타늄 알콕사이드 단위의 분자 부피를 통해 광활성 층의 형태를 제어하는 방법이보고되어있다.
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
유기 PV 소자는 낮기 때문에, 제조 비용, 경량 1-7 약속 재생 가능한 에너지 원으로 간주된다. 이러한 장점 때문에, 과학자 다수의 유망 영역에 침지되었다. 지난 10 년간, 색소 증감은, 유기 박막, 페 로브 스카이 트 감응 태양 전지는 이러한 영역 (8)에서의 전력 변환 효율에 상당한 진보를 이루어왔다.
특히, 유기 박막 태양 전지 BHJ 유기 박막 태양 전지는 태양 에너지 기술의 이용을위한 효율적이고 비용 효과적인 해결책이다. [60] PCBM 또는 : 또한, 에너지 변환 효율은 전자 수용체 (페닐-C 61 뷰티 – 산 메틸 에스테르 전자 공여체와 플러렌 유도체 낮은 밴드 갭 중합체를 사용하여 10 % 이상에 도달 페닐 C (71) 뷰티 – 산 메틸 에스테르 : [70] PCBM) 9-11. 또한, 일부 연구자들은 시간AVE 이미 높은 전체 효율을 얻기 위해 저 대역 갭 중합체 및 플러렌 유도체로 구성되는 광활성 층에 BHJ 구조의 중요성을보고 하였다. 그러나, 플러렌 유도체는 공기를 구분합니다. 따라서, 공기 안정한 전자 수용성 물질이 대신 요구된다. 몇몇 보고서는 이전에 전자 수용체로 n 형 반도체 중합체 또는 금속 산화물을 사용한 유기 태양 전지의 새로운 형태를 제시 하였다. 이 보고서는 공기 안정, 풀러렌 – 무료, 유기 박막 태양 전지 12 ~ 15의 개발을 지원했다.
그러나, 반대로 전하 분리 및 전하 수송 능력을 갖는 광활성 층의 BHJ 구조의 양호한 성능을 획득하는 시스템 또는 n 형 반도체 중합체 시스템 풀러렌, 금속 산화물 시스템 16-17에서 곤란하다. 또한, 플러렌 유도체 및 n 형 반도체 중합체는 높은 용해도를 가지고많은 용매한다. 따라서, 광활성 층 18-20의 전구체, 용매로서 잉크 용액을 선택하여 광활성 층의 형태를 제어하기 쉽다. 대조적으로, 전자 공여 중합체와 함께 사용되는 금속 알콕시 드 시스템의 경우, 모두 반도체 거의 모든 용매에 불용이다. 금속 알콕사이드를 용매에 높은 용해도를 갖고 있지 않기 때문이다. 따라서, 형태 학적 제어 용매의 선택은 매우 낮다.
이 문서에서는 인쇄 높은 공기 안정 BHJ 태양 전지를 제조하기 위해, 분자 부피를 이용하여 광활성 층의 형태를 제어하는 방법을보고한다. 우리는 플러렌없는 BHJ 태양 전지의 발전을 위해 형태 제어의 중요성을 설명한다.
Protocol
Representative Results
Discussion
이 방법에서, 분자의 부피를 활용하기 위해, 스핀 코팅에 의해 막 형성 조건을 아는 것이 중요하다. 우선, p 형 및 n 형 반도체는 용매에 용해 될 수 있어야한다. 어떤 재료가 잔존하면, 광활성 층의 도메인의 큰 코어해질 것이다. 각각의 용매의 적절한 상용 필터의 사용은 잔여 물질을 제거하기 위해 권고된다. 다음으로, 분자가 용해 된 전구체 용액에 균일하고 균질하게는 약 60 초에서 ITO / 유리 기…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 작품은 부분적으로 JSPS KAKENHI 허가 번호 25871029, 재료 과학 및 공학에 대한 일본 판유리 재단과 도치 산업 진흥 센터에 의해 지원되었다. 기술의 국립 연구소, 오오 야마 대학은이 문서의 출판 비용 지원.
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 |
Referências
- 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).
