文摘

我们报告一个新颖的基于solution-processed纳米线光管理方法(西北)涂层提高有机太阳能电池的效率。二氧化钛(TiO₂)西北色散是由电纺。涂料与各种报道分数捏造了一个简单的解决方案TiO的铸件₂西北分散。减少反射率是NW-coated观察载玻片。bulk-heterojunction有机太阳能电池与NW涂层显示提高能量转化效率(pc)由于其在活性层增透和光诱捕效果。此外,细胞的PCE的NW提高涂层相比,如果没有上面的NW涂层对入射角度70°(增加最多51.6%的入射角85°)。这些结果表明,solution-processed NW涂层是一种很有前途的光管理方法很容易扩展和适用于大范围的设备,包括太阳能电池。

1。介绍

有机太阳能电池可以通过简单的加工制造技术,被强烈的研究,因为他们可能使灵活和低成本的大规模生产设备(1,2]。大部分的注意力一直集中在solution-processed聚合物bulk-heterojunction (BHJ)太阳能电池3,4]。聚合物的组合设计、形态控制、结构的洞察力,和设备工程导致了能量转化效率(pc)达到6 - 8%左右的共轭聚合物/富勒烯混合物(5,6]。然而,BHJ形态学、双连续的纳米级,乳剂的供体和受体组件的有机太阳能电池,有一个内在的光学和电子长度尺度之间的冲突:几百纳米的BHJ层可以实现完整的光吸收,但exciton-diffusion长度只有大约20 nm (7,8]。要解决这个冲突,多才多艺的和可伸缩的光管理技术强烈要求减少BHJ膜厚度的低损耗光吸收(9,10]。这里我们报告一个新的光管理方法基于solution-processed纳米线(西北)涂层提高有机太阳能电池的效率。

轻管理,特别是防反射涂层或光捕获BHJ层,纳米结构发挥着至关重要的作用[7- - - - - -9]。然而,多功能和可伸缩的纳米结构的制备方法是有限的。许多方法已经积极探索合成一维纳米材料(一维)(11]。电纺的也一直在探索作为制造连续的快速和高效的自上而下的过程(一维),纳米材料组成的聚合物、陶瓷、碳和金属(12- - - - - -14]。静电纺丝(NFs)非常有前途的光学材料因其强烈的光散射特性。我们先前的研究显示实际上电纺NFs的光学应用,如着色NF-based涂料由于薄膜干涉(15),光散射辅助表面等离子体共振实际上电纺NF-coated黄金表面(16]。在此,我们使用二氧化钛(TiO₂)作为纳米结构的材料,因为它high-refractive指数、透明度好,良好的加工性能(适用于解决方案通过溶胶-凝胶过程的反应),和低成本10]。此外,我们使用TiO₂NWs代替连续TiO₂NFs,因为覆盖的NW使更精确控制纳米结构涂层的分数比NF (17]。一些研究人员报道TiO的引入₂NWs或NFs的一维半导体有机太阳能电池的活性层(17,18]。然而,solution-processed顶面涂料的太阳能电池使用high-refractive-index NWs光管理尚未报道(19]。我们报告一个新的光管理方法基于solution-processed NW涂层没有活性层的形态控制,简单,多才多艺,和简单的可伸缩的。

在目前的研究中,我们准备了TiO₂西北分散由电纺的溶胶-凝胶前体溶液,钛tetraisopropoxide含有醋酸/乙醇溶液(催化剂)和聚(乙烯吡咯烷酮)(electrospinnable载体聚合物),和连续煅烧和声波降解法;西北涂层然后捏造了一个解决方案NW色散的铸件。本研究的目的是(我)准备NW涂料铸造各种报道分数通过一个简单的解决方案,和(2)调查的影响西北涂层BHJ有机太阳能电池的性能。

2。实验

2.1。材料

TiO的材料₂NWs、钛tetraisopropoxide(提示,97%纯度、关东大化工),聚(乙烯吡咯烷酮)(PVP, Mw = 1300000, Sigma-Aldrich),醋酸(和光)霍阿克,99.9%的纯度,kouichi和脱水乙醇(EtOH, 99.9%纯度、关东大化工)作为收到。有机太阳能电池材料BHJ,保利(3-hexylthiophene) (P3HT Mw = 54000 - 75000,电子级纯度99.995%,Sigma-Aldrich),-phenyl-C61-butyric酸甲酯(PCBM电子级纯度99.9%,Sigma-Aldrich),和聚(材料间是的运动):聚(苯乙烯磺酸盐)(PEDOT: PSS, Clevious P副总裁。AI4083, h·c·斯塔克)也作为收到。

2.2。准备和TiO涂料₂纳米线

PVP是溶解在EtOH给5%的解决方案和搅拌3到4小时。PVP,小费,霍阿克,EtOH混合在小费的比例/ PVP / EtOH /霍阿克= 26/2.2/41.8/30(重量)和搅拌半个小时给溶胶-凝胶前体的解决方案。准备的解决方案是在手套袋内充氮气,以防止快速溶胶-凝胶反应前旋转。中使用的电纺的设备是一样的,一项研究[20.]。一个铝板(44厘米²区)被用来作为对电极。电纺是在室温下进行,相对湿度(RH)低于30%。外加电压是6 kV。喷嘴和收藏家之间的距离为80毫米。前体溶液的流量是5L / min。纺纤维收集在柜台上电极形成自立式织物约10 -米厚度。纺制涤纶织物保持室温在大气条件下几个小时(提示完成水解的面料),然后在真空干燥3到4小时。干面料在500°C的煅烧炉(KDF-S70 Denken)删除PVP和结晶TiO 1小时₂NFs。x射线衍射(XRD)准备纤维显示所有山峰的模式可以被索引高度结晶TiO锐钛矿阶段₂(图S1网上http://dx.doi.org/10.1155/2012/387586)。图1显示了一个示意图TiO的制备方法₂西北涂层。煅烧TiO的₂NF几百的面料g是沉浸在IPA在0.02 wt % (w / w) 1 wt %乙酰丙酮作为分散剂然后ultrasonicated NFs分解成NWs 4小时。获得的NW色散是薄的载玻片(0.12米)UV-ozone对待。铸造是重复,直到覆盖一部分NWs取得所需的值。

2.3。制造BHJ有机太阳能电池

BHJ有机太阳能电池,是由一个氧化铟锡(ITO)涂层玻璃衬底/ PEDOT: PSS / P3HT: PCBM /生活/铝电极,制作如下。ITO-coated玻璃衬底被声波降解法在洗涤剂彻底清洗,超纯水,和国际音标,紧随其后的是清洗用擦拭布含有洗涤剂。完全干燥后,ITO-coated玻璃UV-ozone对待。PEDOT: PSS水溶液是spin-coated ITO-coated层形成该种薄膜厚度。涂层衬底然后干30分钟在200°C在空气中。2.5 wt % P3HT: PC60BM(3: 2) /氯苯溶液spin-coated PEDOT / PSS在3000 rpm的45秒。在130°C细胞随后退火在空气中10分钟。生活(厚度0.7 nm)和阿尔•厚度(100海里)治疗用热蒸发沉积在真空托。

2.4。描述

制备纳米结构的表面形态观察使用扫描电子显微镜(SEM、jcm - 5700, JEOL)在10 kV。所有样品都涂上了白金。XRD模式样本,记录在扫描x射线microdiffractometer (D8发现μ人力资源、力量中心——AXS)。准备的紫外可见反射光谱测量涂层使用积分球,一个单色仪(USB4000、海洋光学),和白色的光从一个卤素灯(LS-1LL、海洋光学)。一束白光事件在样品表面放置在入口处的积分球。入射电子束的直径3毫米的样品表面和入射角,8°。从样品表面反射的光收集积分球和发送到积分球的单色器的光纤。测量作为参考,一层薄薄的玻璃幻灯片没有涂层使用。

当前density-voltage (J- - - - - -V)细胞的特点是使用2400年吉时利源测量的测量单位。全球太阳能电池性能采用一个气团1.5 (1.5 g)太阳能模拟器(OTENTO-SUN三世,Bunkoh-Keiki)辐照强度100 mWcm⁻²。TiO的₂-NW-coated载玻片被附加到孔径的太阳能电池的表面使用光学匹配液(= 1.5150)。描述的入射角的依赖J- - - - - -V特征,细胞与镀膜玻璃下滑是倾斜的照明下是1.5 g使用旋转舞台。在细胞的倾斜,氦氖激光辐照在细胞表面以确保细胞仍在旋转中心位置。外部量子效率(EQE)光谱测量与mte - 1500 (Bunkoh-Keiki)包括Xe源,单色光源,光学斩波器和锁定放大器和硅光电二极管为单色能量密度校准。

3所示。结果与讨论

3.1。TiO的准备₂西北涂料

图2(一个)显示了TiO的扫描电镜图像₂西北在硅表面涂层。平均直径(D)和平均长度(lTiO的)₂拥有核武器的国家是D=m和l=m,分别(数字2 (b)和2 (c))。表面覆盖TiO的一部分₂NWs载玻片上ϕ图像分析是评估的光学显微照片(图S2a-c)。结果发现,ϕ数量的增加线性增加铸件(图S2d)。然而,铸件的数量,增加核国家身份的重叠或团聚体的数量也增加了在涂料(图S1a-c)。

图3显示典型的反射光谱的载玻片NW涂料ϕ= 0.33和0.57的价格相比载玻片NW涂料。的涂料ϕ= 0.33显示抗反射(AR)的影响:低反射率(< 1)的波长λ> 560海里。这表明涂层的有效折射率,在大气之间,是一个中间值(载玻片的),(下一个有效介质近似(10),涂料功能作为一个单独的层AR涂料在这个波长区域。较高的反射率(> 1.0)的波长λ< 560海里是归因于这样一个事实:光学厚度、涂料大于四分之一的波长(~ 137.5海里):NWs的大小(D= 137海里)偏离一般基于“增大化现实”技术标准涂料、4=在这个波长区域10]。另一方面,涂料ϕ= 0.57显示较高的反射率在整个可见光波长区域。这表明基于“增大化现实”技术的影响形成的涂料将会减少许多重叠的NWs如图S2c观察。我们选择的基于“增大化现实”技术的涂料ϕ< 0.4应用BHJ有机太阳能电池。

3.2。与TiO BHJ有机太阳能电池的性能₂西北涂层

如图4涂层稍微改善了短路电流()从7.90到8.00 mA /厘米²,PCE的关系 从2.67提高到2.70%。BHJ有机太阳能电池的性能并没有TiO₂西北涂层表进行了总结1。所有的涂料,电流密度,这是光的功率密度成正比(21),是改善。这清楚地显示光强度的增强效果在活性层由于TiO₂西北涂层。另一方面,PCE的减少ϕ= 0.35是由于减少与增加基于“增大化现实”技术的效果ϕ正如前面所讨论的。

探讨实质性PCE TiO的增强₂详细NW涂料,我们执行EQE测量BHJ有机太阳能电池。在图5(一个)光谱,NW涂层稍微改变了。图5 (b)显示了在存在和eq的变化缺乏NW涂层。峰值在390 nm和600 nm)表明,某些波长的光生伏打效应得到改善。确认光吸收增强,艾尔的反射吸收光谱测量电极/ P3HT: PCBM spin-coated电影在石英和没有NW涂层(BHJ太阳能电池的活性层模型)(图6(一))。反射吸收的变化如图6 (b)。这个数字表明,光吸收增强在390纳米左右,600 nm和650 nm。的峰值波长的区域λ≤600海里同意EQE(图的变化5 (b))这些结果支持这一信念涂料增强活性层的光吸收。此外,峰值约390海里清楚地表明,改善BHJ有机太阳能电池的光伏特性不仅影响的基于“增大化现实”技术的效果而且TiO的光散射₂西北涂层。因为基于“增大化现实”技术的效果只在波长区域观察到λ> 560海里(见图3),改善EQE周围390海里是由于阴霾光的入射光和透射捕获到活跃层由于TiO的光散射特性₂NWs [9]。小减少420 - 520 nm范围是由于反射涂料,也观察到图3。不幸的是,大波长地区的基于“增大化现实”技术的影响λ> 650海里不是实质性P3HT: PCBM BHJ有机太阳能电池。这对光电涂层更实质性的BHJ有机聚合物太阳能电池使用低波段差距(22]。

TiO的另一个优势₂NW涂层是遮光(AG)效果观察到光的依赖特征集合在入射角(θ)。如图7的PCE细胞有无NW涂层与增加减少θ在θ≥70°。这个同意与入射角的依赖的理论预测在活性层吸收的光子数,据Dennler et al .,这也是由于菲涅耳反射在空气/玻璃界面,导致光功率密度减少困到有源层(23]。两个人电脑的最大值θ= 60°可能源自完美的传播TM模式的布儒斯特角空气/玻璃界面(23]。入射角的依赖,细胞的PCE的NW涂层= 0.21提高相比没有NW涂层θ≥70°。PCE的最大改进率是51.6%θ= 85°。因此,我们的结论是,大量的PCE TiO的增强₂西北涂料将改善活性层的光吸收基于AR和光线捕获机制。

4所示。结论

我们准备好的TiO₂西北涂料各种报道分数通过一个简单的解决方案铸造玻璃衬底的BHJ有机太阳能电池。BHJ有机太阳能电池与NW涂层显示改进的电脑由于其AR活性层和光诱捕效果。此外,PCE的入射角的依赖也提高了西北涂层的AG)效果。这种多功能、可伸缩的管理方法是兼容solution-processed有机光设备,包括口服脊髓灰质炎疫苗的太阳能电池。目前,我们还没有完成光的优化管理BHJ有机太阳能电池通过我们solution-processed NW涂层的方法。我们得出这样的结论:BHJ有机太阳能电池的性能将提高了优化的一些参数(例如,NWs折射率和透明度,大小分布控制的情况,和分散控制的NWs)。正在进一步的研究进展和结果将被报道。

确认

作者感谢祐一铃木先生,先进材料分析中心东京理工学院,与x射线衍射测量寻求帮助。这项工作是支持的“绿色传感器网络系统技术开发项目”的新能源和工业技术部门组织(NEDO)。

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