שיטת אמביינט לייצור ionically המגודר פחמן Nanotube הנפוץ קטודה בתאים סולריים האורגנית טנדם
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
מוליכים למחצה פולימרים הם פוטו האורגני חומרים (OPV) המובילים עקב גבוהות ספיגות, מאפייני תחבורה טובים, גמישות, ותאימות עם מצעים רגישים לטמפרטורה. יעילות המרת כוח OPV מכשיר, η, קפצה באופן משמעותי בשנים האחרונות, עם יעילות תא בודדת גבוהה ככל 9.1% 1, מה שהופך אותם בטכנולוגית אנרגיה בת-קיימא יותר ויותר.
למרות השיפורים בη, עוביים הדקים אופטימליים הפעילים השכבה של המכשירים להגביל קליטת אור ולעכב ייצור אמין. בנוסף, רוחב הספקטרום של אור קליטה של כל פולימר מוגבל בהשוואה לחומרים אי-אורגניים. פולימרים זיווג של שונה רגישות ספקטרלית עוקף את הקשיים הללו, מה שהופך את ארכיטקטורות טנדם 2 חדשנות הכרחית.
מכשירי טנדם הסדרה הם הארכיטקטורה בד בבד הנפוצה ביותר. בעיצוב זה, materi העברת אלקטרוניםאל, שכבת רקומבינציה מתכתית אופציונלית, ושכבת תעבורת חור לחבר את שתי שכבות photoactive עצמאיות שנקראו תת-תאים. קישור תת-תאים בתצורת סדרה מגדיל את מתח המעגל הפתוח של מכשיר שילוב. חלק מהקבוצות היו הצלחה עם שכבות תחבורה מסוממת degenerately 3 – 5, אבל יותר קבוצות השתמשו בחלקיקים של זהב או כסף כדי לסייע רקומבינציה של חורים ואלקטרונים בinterlayer 6,7.
בניגוד לכך, בשורה העורפית במקביל דורשת אלקטרודה מוליכות גבוהות, או האנודה או קתודה, שהצטרפה שתי שכבות פעילה. Interlayer חייב להיות שקוף מאוד, אשר מגביל interlayers טנדם סדרה המכיל חלקיקי מתכת, ועוד יותר מכך לinterlayers טנדם המקביל מורכב מאלקטרודות מתכת דקות, רציפות. צינורות פחמן גיליונות (CNT) להראות שקיפות גבוהה יותר משכבות מתכת. אז מכון ננוטק, בשיתוף עם האוניברסיטה שימאנה, יש introduced את הרעיון של שימוש כמו האלקטרודה interlayer במכשירי מונוליטי, מקבילים מקביל 8.
מאמצים קודמים בהשתתפות מכשירי מונוליטי, מקבילים, OPV בד בבד עם גיליונות CNT מתפקדים כאנודות interlayer 8,9. שיטות אלו דורשות טיפול מיוחד כדי למנוע shorting של תא אחד או שניהם או שכבות שקדמו מזיקות בעת הפקדת שכבות מאוחרות יותר. השיטה החדשה שתוארה במאמר זה מקלה על ייצור על ידי הצבת אלקטרודה CNT על גבי השכבות הפעילים פולימריים של שני תאים בודדים, ולאחר מכן למינציה שני המכשירים נפרדים יחד כפי שמוצג באיור 1. שיטה זו ראויה לציון כמכשיר, כולל מיזוג קתודת CNT -stable, יכולה להיות מפוברקת לחלוטין בתנאי סביבה המעסיקה רק עיבוד יבש ופתרון.
גיליונות CNT אינם קתודות טובות מיסודם, כפי שהם דורשים סימום מסוג n כדי להקטין את פונקצית העבודה כדי לאסוף את אלקטרונים מאזור photoactiveשל תאים סולריים 10. שכבה כפולה חשמלית לחייב באלקטרוליט, כגון נוזל יוני, יכולה לשמש כדי להעביר את פונקצית העבודה של CNT אלקטרודות 11-14.
כפי שתואר במאמר הקודם 15 ומתוארים באיור 2, כאשר מתח השער (V השער) הוא עולה, פונקצית העבודה של האלקטרודה הנפוצה CNT הוא ירד, יצירת הסימטריה אלקטרודה. זה מונע אוסף חור מהתורם של OPV לטובת איסוף אלקטרונים מacceptor של OPV, וההתקנים מפעילים את, משתנים מפוטורזיסטור יעיל לפוטודיודה 15 התנהגות. כמו כן יש לציין כי האנרגיה המשמשת להטענת המכשיר והכוח איבד בשל זרמי זליגת שער בהשוואה של מה בכך לכח שנוצר על ידי התא הסולרי 15. gating היוני של אלקטרודות CNT יש השפעה גדולה על תפקוד העבודה בשל הצפיפות הנמוכה של מדינות וגבוהותשטח פן יחס נפח באלקטרודות CNT. שיטות דומות שימשו כדי לשפר את המחסום שוטקי על הממשק של ה- CNT עם n-Si 16.
Protocol
Representative Results
Discussion
התוצאות מדגישות כמה שיקולים בעת תכנון תאים סולריים טנדם המקביל. יש לציין, אם אחד ממשנה התאים מציג ביצועים גרועים, ביצועים מקביל בהושפעו לרעה. התוצאות מראות שיש שתי השפעות עיקריות. אם תת-תא אחד הוא לקצר, למשל, מציג התנהגות ohmic, T FF לא יהיה גבוה יותר מאשר FF של תת-…
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).
