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.

1. Indium-Zinn-Oxid (ITO) Strukturieren und Reinigung HINWEIS: Verwenden Sie 15Ω / □ ITO-Glas, und Kauf oder schneiden Sie die ITO-Glas in Größen passend zu Schleuderbeschichtung und Photolithographie. Es ist am effizientesten, Schritte auf einem Stück Glas möglichst groß auszuführen 1,1-1,7, und dann schneiden sie in kleinere Geräte. Beachten Sie auch, dass die Schritte 1,1-1,7 bedürfen der ITO-Glas mit der ITO-Seite nach oben ausgerichtet sein. Dies kann leicht mit Widerstandseinstellung eines Multimeter überprüft werden. <ol><li> Schleuderbeschichtungs 1 ml S1813 positive Photoresists auf der ITO-Seite des ITO-Glas mit einer Geschwindigkeit von 3.000 rpm für 1 min. Verwenden Sie mehr wider für größere Glasstücke, sicherzustellen, dass das gesamte Glas beschichtet und keine Luftblasen zu entfernen, bevor Sie den Spin-Coater. </li><li> Annealing der Resist beschichtetes Glas, auf einer heißen Platte bei 115 ° C für 1 min. </li><li> Legen Sie die Probe und die Photomaske auf die Kontaktausrichter. </li><li> Setzen Sie das Fotolack beschichteten ITO-Glas für eine entsprefalls Zeit. Die Belichtungszeit beträgt etwa 10 sec, variieren aber diesmal auf der Basis der UV-Lampenintensität, Photoresist-Typ und Dicke. </li><li> Entwickeln Sie die UV-belichteten Substrate in MF311-Entwickler. Ein Spin Prozessors automatisierten Prozess produziert die besten und wiederholbare Ergebnisse, aber die Entwicklung kann manuell erfolgen, wie gefolgt werden. <ol><li> Tauchen Sie die UV-belichteten Substrate für 1 min in den Entwickler, durch Spülen in deionisiertem (DI) Wasser und Trocknen mit Stickstoffpistole gefolgt. Da der Entwickler verliert Stärke schnell, tauschen Sie die Entwickler zwischen den Proben, oder alternativ erhöhen die Entwicklungszeit bei der Wiederverwendung Entwickler. </li></ol></li><li> Ätzen der ITO-Substrate in konzentrierter Salzsäure (HCl). Dies dauert zwischen 5-10 min, je nach der Konzentration des HCl. Spülen in DI-Wasser, trocken, und testen Sie die Widerstand der geätzten Abschnitte mit einem Multimeter. Wenn eine Leitfähigkeit bleibt, Etch für eine längere Zeit. </li><li> Sobald das Ätzen abgeschlossen ist, entfernen Sie die photoresist mit Aceton. Beachten Sie, dass die schnelle Entfernen des Photolacks verhindert Rest HCl aus Over-Ätzen des gemusterten ITO. </li><li> Bei Bedarf schneiden Sie die geätzte ITO Glassubstrate in Gerätegrößen. </li><li> Reinigen der ITO-Substrate in einem Bad Ultraschallgerät in einer Sequenz von Lösungsmitteln - DI-Wasser, Aceton, Toluol, Methanol und schließlich Isopropylalkohol. </li></ol> 2. OPV Teilzellenherstellung <ol><li> Bereiten P3HT: PC 61 BM-Lösung. HINWEIS: Für die meisten konsistente Ergebnisse, bereiten Sie die Lösungen in einer Stickstoffumgebung. Es ist möglich, dieses Verfahren unter Umgebungsbedingungen zu folgen. <ol><li> Suchen und notieren Sie sich die Masse von zwei saubere, ~ 4 ml-Glasgefäß und die Mützen, und markieren Sie diese mit einem Permanent-Marker, um sie von anderen zu unterscheiden. </li><li> In einer Stickstoff- oder Argon-Glovebox übertragen ungefähr 10 mg des Poly (3-hexylthiophen-2,5-diyl) (P3HT), um eine Ampulle und etwa 10 mg Phenyl-C 61 -buttersäuremethylester (PC 61 BM) in die andere. </li><li> Wiegen Sie die Fläschchen erneut, um die Masse des P3HT und PC 61 BM finden. </li><li> Übertragen Sie die Fläschchen mit P3HT und PC 61 BM in ein Handschuhfach für den Rest der Lösung Prozess. </li><li> Fügen Sie einen magnetischen Rührstab in jedem Fläschchen und fügen Sie dann genug Chlorbenzol zu jeweils 45 mg / ml-Lösungen erstellen. </li><li> Legen die Lösungen auf einem Magnetrührstab heißen Platte bei 55 ° C für ca. 2 h, oder bis die gelösten Stoffe vollständig gelöst haben. </li><li> Mix gleichen Volumina des P3HT und PC 61 BM-Lösungen zusammen, und lassen Sie die Mischlösung rühren noch eine Stunde vor der Verwendung. </li></ol></li><li> Bereiten PTB7: PC 71 BM-Lösung. <ol><li> Wiederholen Sie die Schritte 2.1.1 bis 2.1.4 mit 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}) (PTB7) und Phenyl-7,1-buttersäure-methylester (PC 71 BM) anstelle von P3HT und PC61 BM. </li><li> Machen Sie eine Mischung von 3 Vol% 1,8-diiodooctane (DIO) in Chlorbenzol. Diese Mischung wird als DIO-CB. </li><li> Fügen Sie einen magnetischen Rührstab in jedem Fläschchen und fügen Sie genug DIO-CB zum PTB7 Fläschchen, eine 12 mg / ml Lösung und genügend DIO-CB an den PC 71 BM Fläschchen, eine 40 mg / ml Lösung haben dann haben. </li><li> Lassen diese Lösungen zu rühren auf einer heißen Platte bei 70 ° C für zwei Tage. </li><li> Mischen der Lösungen in einem Gewichtsverhältnis von PTB7 zum PC 71 BM von 1 bis 1,5. </li><li> Lassen Sie die gemischte Lösung eine weitere Stunde rühren bei 70 ° C vor der Verwendung. </li></ol></li><li> Filter Poly (3,4-ethylendioxythiophen): Poly (styrolsulfonat) (PEDOT: PSS) durch einen 0,45 &amp; mgr; m Porengrße Nylonfilter. Hinweis: Dieses Verfahren nutzt P VP AI4083. </li><li> Spin Coat Aktive Schichten. <ol><li> Zeigen gereinigt ITO-Substrate, ITO-Seite nach oben, in eine UV-Ozon-Reiniger für 5 min. </li><li> Spin-coat 120 ul des gefilterten PEDOT: PSS auf UV-Ozon behandelt, gemusterte ITO Glassubstrats bei 3.000 rpm für 1 min. Dies sollte eine 30 nm dicke Schicht ergeben. </li><li> Annealing der PEDOT: PSS beschichtete ITO Substrate für 5 min bei 180 ° C. </li><li> Spin-Mantel 70 ul des gemischten P3HT: PC 61 BM-Lösung auf PEDOT: PSS beschichteten ITO-Substrate bei ca. 1.000 rpm für 1 min. Variieren Sie die Geschwindigkeit je nach Bedarf, um eine 200 nm dicke aktive Schicht abzuscheiden. </li><li> Annealing des P3HT: PC 61 BM beschichteten Substrate bei 170 ° C für 5 min. Die Ergebnisse können auf die optimale Anlagerungstemperatur variieren. </li><li> Spin-Mantel 70 ul des gemischten PTB7: PC 71 BM-Lösung auf PEDOT: PSS beschichteten ITO-Substrate bei ca. 700 rpm für 1 min. Variieren Sie die Geschwindigkeit je nach Bedarf, um eine 100 nm dicke aktive Schicht abzuscheiden. </li><li> Laden Sie das PTB7: PC 71 BM beschichteten Substrate in ein Hochvakuum (&lt;2 x 10 -6 Torr) Kammer, um die Rest DIO entfernen. Typischerweise lassen die Proben in der Kammer O / N. </li></ol></li></ol> 3. Fabrizieren das Tandem Geräte &lt;ol&gt; <li> Laminat CNT-Elektroden. <ol><li> Schneiden Sie die PTB7 und P3HT Substrate in die Hälfte auf ein Tandem-Gerät zu machen. Ein spezialisiertes ITO Muster würde diesen Schritt nicht erforderlich. Die ITO-Muster sollten mindestens zwei ITO-Elektroden parallel zu einem mm, die sich von einer Kante von der anderen weg. </li><li> Vorbereitung der ersten PTB7 und P3HT beschichteten Substrate durch Abwischen entfernt Polymer und PEDOT von den Kanten des Glases, und setzen die ITO-Streifen, die als gemeinsame Elektrode verwendet wird, wie im ersten Teil von Abbildung 1 zu entnehmen. </li><li> Laminieren der CNT gemeinsame Elektrode auf der Oberseite der PTB7 und P3HT Elektroden. Tragen Sie eine SWCNT Film, indem der CNT Seite des Filterpapier auf dem Gerät, mit leichtem Druck, und dann Ablösen des Filterpapier entfernt. Dies wird in der zweiten Platte von Fig. 1 gezeigt </li><li> Verdichten der CNT-Elektrode auf der Oberfläche durch Aufbringen Methoxy-Nonafluorbutan (C 4 F 9 OCH 3) (HFE) und durch Beschichten des CNT mit einem kleinen amount der Flüssigkeit und dann lassen es trocknen. </li><li> Wegzuwischen das Polymer und CNT auf der ITO und Glas, die die Gate-Elektrode erhalten wird, wie im dritten Teil der Abbildung 1 dargestellt. Beseitigen des Polymers aus dem Glas, um Gate-Leck mit einer Rasierklinge zu verhindern. </li><li> Laminieren die CNT-Gate-Elektrode auf die gereinigte Fläche der PTB7 und P3HT beschichtete Substrate. Laminieren die MWCNT durch Ziehen von der Kante des MWCNT Wald mit einer Rasierklinge und lassen das Blatt frei stehen zwischen einigen Kapillaren. Übergeben Sie das Gerät durch die freistehende Blatt, um die CNT auf das Gerät zu laminieren. Die Gate-Elektrode ist 2-3 mal die Anzahl der Schichten so auf der gemeinsamen Elektrode angelegt. </li><li> Verdichten der Gate-Elektrode mit HFE. </li></ol></li><li> Eine kleine Tropfen (≈10 ul) der ionischen Flüssigkeit, N, N -Diethyl- N-Methyl-N - (2-methoxyethyl) ammonium-tetrafluoroborat, DEME-BF 4, auf der Oberseite der beiden Elektroden eines CNTder Substrate. </li><li> Legen Sie das Substrat ohne ionische Flüssigkeit auf der Oberseite des Substrats mit ionischen Flüssigkeit mit den gemeinsamen und Gate-Elektroden auf der jeweils anderen-. Dies wird in dem letzten Teil der Abbildung 1 dargestellt. </li><li> Legen Sie eine Fotomaske mit einer Maschenweite kleiner als der Elektrodengröße über dem aktiven Bereich. Verwenden Sie kleine Clips, um die Fotomaske in Position zu halten sowie um das Gerät während des Tests zusammen zu halten. </li></ol> 4. Messen Sie den Geräte <ol><li> Bringen Sie das Gerät in den Mess Glovebox. </li><li> Die elektrischen Anschlüsse. <ol><li> Schließen Sie das Tor Stromversorgung zwischen der gemeinsamen Elektrode und der Gate-Elektrode mit dem Gemeinsamen als Boden. </li><li> Verbinden die beiden ITO-Anoden, Drähte, die zu einem Schalter, der die Auswahl entweder Anode oder beide Anoden erlaubt verbunden sind. </li><li> Den Ausgang des Schalters mit dem Eingang des Source Measure Unit. </li><li> Schließen Sie die Masse der Quellmessure Einheit mit der gemeinsamen Elektrode. </li></ol></li><li> Messen IV Eigenschaften des Geräts durch Wiederholung der folgenden Schritte für aufsteigend V Gate. <ol><li> Set V-Tor auf den nächsten Wert, ausgehend von V-Tor = 0 V bis V Tor = 2 V in Schritten von 0,25 V. </li><li> Warten 5 min oder bis die Gate-Strom stabilisiert wird. Idealerweise sollte der Gate-Strom zu stabilisieren Umgebung 10s Nanoampere. </li><li> Den Schalter auf beide Teilzellen. </li><li> Öffnen Sie die Lampen Shutter. </li><li> Führen Sie einen Spannungsdurchlauf auf der Source Measure Unit von -1 Volt bis 1 Volt bei etwa 100 Schritten oder mehr. </li><li> Führen Sie einen Spannungsdurchlauf von 1 Volt bis -1 Volt. </li><li> Schließen Sie die Lampen Shutter. </li><li> Führen Sie die Spannungs Sweeps wieder. </li><li> Stellen Sie den Schalter an der Vorderseite Unterzelle. </li><li> Wiederholen Sie die Schritte 4.3.4 bis 4.3.8. </li><li> Stellen Sie den Schalter auf der Rückseite Unterzelle. </li><li> Wiederholen Sie die Schritte 4.3.4 bis 4.3.8. </li></ol></li><li> Berechnen Geräteparameter. &lt;ol&gt; <li> Finden der Kurzschlussstrom (J SC) jeder Unterzelle an jeder V-Tor durch Auffinden der vom Gerät erzeugt wird, wenn die Spannung an der Unterzelle gleich 0 V. </li><li> Finden die Leerlaufspannung (V OC) jeder Unterzelle an jeder V-Tor durch Finden des von der Vorrichtung erzeugten Spannung, wenn der Strom durch die Unterzelle ist 0 A. </li><li> Finden der maximalen Leistungsabgabe der Solarzelle durch Multiplizieren jeder Spannungswert bei jedem Stromwert und Auswählen der maximalen (negativsten) Wert ist. Dies setzt voraus, dass man misst lichterzeugten Strom als negativer Strom. </li><li> Finden Sie die Energieumwandlungseffizienz (η), indem die maximale Leistung durch die Eingangslichtleistung. </li><li> Finden Sie die Füllfaktor (FF), indem die maximale Leistung durch das Produkt von J SC und V OC. </li></ol></li></ol>

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	<li>He, Z., Zhong, C., Su, S., Xu, M., Wu, H., Cao, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Enhanced+power-conversion+efficiency+in+polymer+solar+cells+using+an+inverted+device+structure.">Enhanced power-conversion efficiency in polymer solar cells using an inverted device structure.</a> Nature Photonics. 6, 591-595 (2012).</li><li>Yuan, Y., Huang, J., Li, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Intermediate+layers+in+tandem+organic+solar+cells.">Intermediate layers in tandem organic solar cells.</a> Green. 1 (1), 65-80 (2011).</li><li>Kim, J. 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D., Zakhidov, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ion-Reconfigurable+photovoltaic+cells,+hybrid+tandems+and+photodetectors+with+CNT+ionic+gate.">Ion-Reconfigurable photovoltaic cells, hybrid tandems and photodetectors with CNT ionic gate.</a> US Patent Application. 61, (2012).</li><li>Cook, A. B., Yuen, J. D., Zakhidov, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electrochemically+gated+organic+photovoltaic+with+tunable+carbon+nanotube+cathodes.">Electrochemically gated organic photovoltaic with tunable carbon nanotube cathodes.</a> Applied Physics Letters. 103 (16), (2013).</li><li>Wadhwa, P., Liu, B., McCarthy, M. A., Wu, Z., Rinzler, A. 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The authors have nothing to disclose.

Die Ergebnisse unterstreichen einige Überlegungen bei der Gestaltung parallel Tandemsolarzellen. Insbesondere, wenn eine der Unterzellen schlecht funktioniert, tandem Leistung negativ beeinflusst. Die Ergebnisse zeigen, dass es zwei Haupteffekte. Wenn ein Unterzelle kurzgeschlossen ist, zB zeigt ohmsches Verhalten, das FF-T wird nicht höher als die FF des schlechten Unterzelle. J T SC und V T OC wird in ähnlicher Weise betroffen sein. Dies ist der Fall, ...

Polymerhalbleitern sind die führenden organischen Photovoltaik (OPV) Materialien durch hohe Saugfähigkeit, gute Transporteigenschaften, Flexibilität und Kompatibilität mit temperaturempfindlichen Substraten. OPV Gerätestromumwandlungseffizienzen, η, haben sich in den vergangenen Jahren sprang, mit Einzelzellwirkungsgrade bis zu 9,1% ein, so dass sie zu einem immer lebensfähige Energietechnologie. Trotz der Verbesserungen in η, die dünnen optimale aktive Schichtdicken der Geräte beschränken Lichtabsorption und behindern zuverlässige Fertigung. Zusätzlich wird die spektrale Breite der Lichtabsorption von jedem Polymer wird begrenzt im Vergleich zu anorganischen Materialien. Pairing Polymere unterschiedlicher spektraler Empfindlichkeit umgeht diese Schwierigkeiten, so dass Tandem-Architekturen 2 eine notwendige Innovation. Serie Tandemvorrichtungen sind die häufigste Tandemarchitektur. In dieser Konstruktion kann eine Elektronentransport Material, eine optionale Metallic Rekombination Schicht und eine Lochtransportschicht verbinden zwei unabhängige photoaktiven Schichten genannt Unterzellen. Verknüpfen Unterzellen in einer Reihenkonfiguration erhöht die Leerlaufspannung des Kombinationsgerätes. Einige Gruppen haben Erfolg mit entartet dotierten Transportschichten 3 hatte - 5, aber mehr Gruppen Teilchen aus Gold oder Silber verwendet, um die Rekombination von Löchern und Elektronen in der Zwischenschicht 6,7 unterstützen. Im Gegensatz dazu parallel Tandems erfordern ein hohes Leitfähigkeitselektrode, entweder Anode oder Kathode, die Verbindung der beiden aktiven Schichten. Die Zwischenschicht muss sehr transparent sein, was Serie Tandem Zwischenschichten metallische Partikel enthalten, begrenzt, und mehr noch für die parallelen Tandemzwischenschichten aus dünnen, kontinuierlichen Metallelektroden zusammensetzt. Carbon Nanotubes (CNT) Blätter zeigen höhere Transparenz als Metallschichten. Also der NanoTech Institute in Zusammenarbeit mit Shimane University, hat introduced das Konzept der Verwendung als Zwischenschicht-Elektrode in monolithischer, parallel Tandemvorrichtungen 8. Frühere Bemühungen vorge monolithischen, parallel, Tandem OPV Geräte mit CNT Blätter, die als Zwischenschicht Anoden 8,9. Diese Verfahren erfordern besondere Sorgfalt, um ein Kurzschließen einer oder beiden Zellen oder schädlichen vorhergehenden Schichten zu vermeiden, wenn Abscheiden späteren Schichten. Die in diesem Papier beschriebene neue Verfahren erleichtert die Herstellung, indem die CNT-Elektrode auf der Oberseite des polymeren aktiven Schichten aus zwei Einzelzellen, und Laminieren der zwei Geräte miteinander, wie in Figur 1 gezeigt. Dieses Verfahren ist wie die Vorrichtung bemerkenswert, eine Luft -stable CNT Kathode, kann vollständig in den Umgebungsbedingungen Verwendung nur trocken und Lösungsverarbeitung hergestellt werden. CNT Blätter sind nicht eigen gute Kathoden, wie sie erforderlich n-Dotierung, um die Arbeitsfunktion, um Elektronen aus der photoaktiven Bereich zu sammeln verringerneiner Solarzelle 10. Elektrischer Doppelschichtlade in einem Elektrolyten, wie beispielsweise einer ionischen Flüssigkeit ist, kann verwendet werden, um Verschiebung der Arbeitsfunktion der CNT-Elektroden 11 - 14. Wie in einem vorhergehenden Papier 15 beschrieben und in Figur 2, wenn die Gatespannung (V Gate) ist erhöht dargestellt, wird die Arbeitsfunktion der CNT gemeinsamen Elektrode verringert, wodurch Elektroden Asymmetrie. Dies verhindert, dass Loch Sammlung aus der OPV die Spender zugunsten der Sammel Elektronen aus der OPV der Akzeptor und die Geräte einschalten, Wechsel von ineffizienten Fotowiderstand in Photodiode 15 Verhalten. Es sollte auch darauf hingewiesen, dass die Energie verwendet wird, um das Gerät und die Macht, Gate-Leckströme verloren wegen Ladung trivial im Vergleich zu der von der Solarzelle 15 erzeugten Strom werden. Ionic Gating von CNT-Elektroden hat eine große Wirkung auf die Austrittsarbeit aufgrund der geringen Dichte der Zustände und die hoheOberfläche zu Volumen-Verhältnis im CNT-Elektroden. Es wurden ähnliche Verfahren verwendet, um eine Schottky-Barriere an der Grenzfläche CNT mit n-Si 16 zu verbessern.

<table><tbody><tr><td>Poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly-(styrenesulfonate)</td><td>Heraeus</td><td>Clevios PVP AI 4083</td><td></td></tr><tr><td>poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl)&amp;nbsp;</td><td>Rieke Metals&amp;nbsp; Inc.</td><td>P3HT:&amp;nbsp; P200</td><td></td></tr><tr><td>phenyl-C&lt;sub&gt;61&lt;/sub&gt;-butyric&amp;nbsp; acid methyl&amp;nbsp; ester</td><td>1- Material</td><td>PC61BM</td><td></td></tr><tr><td>Poly({4,8-bis[(2-ethylhexyl)oxy]benzo[1,2-b:4,5-b&amp;prime;]dithiophene-2,6-diyl}{3-fluoro-2-[(2-ethylhexyl)carbonyl]thieno[3,4-b]thiophenediyl})&amp;nbsp;</td><td>1- Material</td><td>PTB7</td><td></td></tr><tr><td>phenyl-C&lt;sub&gt;61&lt;/sub&gt;-butyric acid methyl&amp;nbsp; ester</td><td>Solenne</td><td>PC71BM</td><td></td></tr><tr><td>1,8-Diiodooctane</td><td>Sigma Aldrich</td><td>250295</td><td></td></tr><tr><td>Chlorobenzene</td><td>Sigma Aldrich</td><td>284513</td><td></td></tr><tr><td>Indium Tin Oxide Coated Glass 15 Ohm/SQ</td><td>Lumtec</td><td></td><td></td></tr><tr><td>S1813</td><td>UTD Cleanroom</td><td></td><td></td></tr><tr><td>MF311</td><td>UTD Cleanroom</td><td></td><td></td></tr><tr><td>HCl</td><td>UTD Cleanroom</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Acetone</td><td>Fisher Scientific</td><td>A18-20</td><td></td></tr><tr><td>Toluene</td><td>Fisher Scientific</td><td>T323-20</td><td></td></tr><tr><td>Methanol</td><td>BDH</td><td>BDH1135-19L</td><td></td></tr><tr><td>Isopropanol</td><td>Fisher Scientific</td><td>A416-20</td><td></td></tr><tr><td>CEE Spincoater</td><td>Brewer Scientific</td><td></td><td>http://www.utdallas.edu/research/cleanroom/tools/CEESpinCoater.htm</td></tr><tr><td>Contact Printer</td><td>Quintel</td><td>Q4000-6</td><td>http://www.utdallas.edu/research/cleanroom/QuintelPrinter.htm</td></tr><tr><td>CPK Spin Processor</td><td></td><td></td><td>http://www.utdallas.edu/research/cleanroom/tools/CPKsolvent.htm</td></tr><tr><td>Spin Coater</td><td>Laurell</td><td>WS-400-6NPP/LITE</td><td></td></tr><tr><td colspan="4">[header]</td></tr><tr><td>Glove Box</td><td>M-Braun</td><td>Lab Master 130</td><td></td></tr><tr><td>Solar Simulator</td><td>Thermo Oriel/Newport</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Keithley 2400 SMU</td><td>Keithley/Techtronix</td><td>2400</td><td></td></tr><tr><td>Keithley 7002 Multiplexer</td><td>Keithley/Techtronix</td><td>7002</td><td></td></tr><tr><td>Ultrasonic Cleaner</td><td>Kendal</td><td>HB-S-49HDT</td><td></td></tr><tr><td>Micropipette</td><td>Eppendorf</td><td>200 &amp;micro;l</td><td></td></tr></tbody></table>

ambient method for the production of an ionically gated carbon nanotube common cathode in tandem organic solar cells

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.

Ein Tandem-Gerät aus unterschiedlichen Polymeren, insbesondere Polymere von signifikant unterschiedlichen Bandlücken, gebildet ist von praktischem Interesse, da diese Geräte können die größten Spektralbereich des Lichts absorbieren. In dieser Vorrichtungsstruktur, die PTB7 Unterzelle ist die Zelle zurück und P3HT ist die Frontunterzelle. Dies ist beabsichtigt, um die größte Menge an Licht zu absorbieren, das P3HT Unterzelle weitgehend transparent für die von der PTB7 Unterzelle absorbiert Licht mit längerer W...

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Ambient Method for the Production of an Ionically Gated Carbon Nanotube Common Cathode in Tandem Organic Solar Cells

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.

Ambient Verfahren zur Herstellung eines ionisch Gated Carbon Nanotube Gemeinsame Kathode in Tandem Organische Solarzellen

A method of fabricating organic photovoltaic (OPV) tandems that requires no vacuum processing is presented. These devices are comprised of two ...

ambient-method-for-production-an-ionically-gated-carbon-nanotube

Universidad de Cartagena UDEC

Research

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Engineering

9.3K Aufrufe.  The University of Texas at Dallas. 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.

Serie: Ambient Method for the Production of an Ionically Gated Carbon Nanotube Common Cathode in Tandem Organic Solar Cells

Harvesting Solar Energy by Means of Charge-Separating Nanocrystals and Their Solids

Conjoining different semiconductor materials in a single nano-composite provides synthetic means for the development of novel optoelectronic materials offering a superior control over the spatial distribution of charge carriers across material interfaces. As this study demonstrates, a combination of donor-acceptor nanocrystal (NC) domains in a single nanoparticle can lead to the realization of efficient photocatalytic1-5 materials, while a layered assembly of donor- and acceptor-like nanocrystals films gives rise to photovoltaic materials.
Initially the paper focuses on the synthesis of composite inorganic nanocrystals, comprising linearly stacked ZnSe, CdS, and Pt domains, which jointly promote photoinduced charge separation. These structures are used in aqueous solutions for the photocatalysis of water under solar radiation, resulting in the production of H2 gas. To enhance the photoinduced separation of charges, a nanorod morphology with a linear gradient originating from an intrinsic electric field is used5. The inter-domain energetics are then optimized to drive photogenerated electrons toward the Pt catalytic site while expelling the holes to the surface of ZnSe domains for sacrificial regeneration (via methanol). Here we show that the only efficient way to produce hydrogen is to use electron-donating ligands to passivate the surface states by tuning the energy level alignment at the semiconductor-ligand interface. Stable and efficient reduction of water is allowed by these ligands due to the fact that they fill vacancies in the valence band of the semiconductor domain, preventing energetic holes from degrading it. Specifically, we show that the energy of the hole is transferred to the ligand moiety, leaving the semiconductor domain functional. This enables us to return the entire nanocrystal-ligand system to a functional state, when the ligands are degraded, by simply adding fresh ligands to the system4.
To promote a photovoltaic charge separation, we use a composite two-layer solid of PbS and TiO2 films. In this configuration, photoinduced electrons are injected into TiO2 and are subsequently picked up by an FTO electrode, while holes are channeled to a Au electrode via PbS layer6. To develop the latter we introduce a Semiconductor Matrix Encapsulated Nanocrystal Arrays (SMENA) strategy, which allows bonding PbS NCs into the surrounding matrix of CdS semiconductor. As a result, fabricated solids exhibit excellent thermal stability, attributed to the heteroepitaxial structure of nanocrystal-matrix interfaces, and show compelling light-harvesting performance in prototype solar cells7.

A general strategy for the development of charge-separating semiconductor nanocrystal composites deployable for solar energy production is presented. We show that assembly of donor-acceptor nanocrystal domains in a single nanoparticle geometry gives rise to a photocatalytic function, while bulk-heterojunctions of donor-acceptor nanocrystal films can be used for photovoltaic energy conversion.

Harvesting Solar Energy mittels Charge-Trennung Nanokristalle und ihre Solids

Conjoining different semiconductor materials in a single nano-composite provides synthetic means for the development of novel optoelectronic materials ...

Forschung

Ingenieurwesen

Integrating a Triplet-triplet Annihilation Up-conversion System to Enhance Dye-sensitized Solar Cell Response to Sub-bandgap Light

The poor response of dye-sensitized solar cells (DSCs) to red and infrared light is a significant impediment to the realization of higher photocurrents and hence higher efficiencies. Photon up-conversion by way of triplet-triplet annihilation (TTA-UC) is an attractive technique for using these otherwise wasted low energy photons to produce photocurrent, while not interfering with the photoanodic performance in a deleterious manner. Further to this, TTA-UC has a number of features, distinct from other reported photon up-conversion technologies, which renders it particularly suitable for coupling with DSC technology. In this work, a proven high performance TTA-UC system, comprising a palladium porphyrin sensitizer and rubrene emitter, is combined with a high performance DSC (utilizing the organic dye D149) in an integrated device. The device shows an enhanced response to sub-bandgap light over the absorption range of the TTA-UC sub-unit resulting in the highest figure of merit for up-conversion assisted DSC performance to date.

An integrated device, incorporating a dye-sensitized solar cell and triplet-triplet annihilation up-conversion unit was produced, affording enhanced light harvesting, from a wider section of the solar spectrum. Under modest irradiation levels a significantly enhanced response to low energy photons was demonstrated, yielding a record figure of merit for dye-sensitized solar cells.

Integration einer Triplett-Triplett-Annihilation Up-Conversion-System, um Farbstoffsolarzellantwort auf Sub-Bandgap-Licht Enhance

The poor response of dye-sensitized solar cells (DSCs) to red and infrared light is a significant impediment to the realization of higher photocurrents ...

Making Record-efficiency SnS Solar Cells by Thermal Evaporation and Atomic Layer Deposition

Tin sulfide (SnS) is a candidate absorber material for Earth-abundant, non-toxic solar cells. SnS offers easy phase control and rapid growth by congruent thermal evaporation, and it absorbs visible light strongly. However, for a long time the record power conversion efficiency of SnS solar cells remained below 2%. Recently we demonstrated new certified record efficiencies of 4.36% using SnS deposited by atomic layer deposition, and 3.88% using thermal evaporation. Here the fabrication procedure for these record solar cells is described, and the statistical distribution of the fabrication process is reported. The standard deviation of efficiency measured on a single substrate is typically over 0.5%. All steps including substrate selection and cleaning, Mo sputtering for the rear contact (cathode), SnS deposition, annealing, surface passivation, Zn(O,S) buffer layer selection and deposition, transparent conductor (anode) deposition, and metallization are described. On each substrate we fabricate 11 individual devices, each with active area 0.25 cm2. Further, a system for high throughput measurements of current-voltage curves under simulated solar light, and external quantum efficiency measurement with variable light bias is described. With this system we are able to measure full data sets on all 11 devices in an automated manner and in minimal time. These results illustrate the value of studying large sample sets, rather than focusing narrowly on the highest performing devices. Large data sets help us to distinguish and remedy individual loss mechanisms affecting our devices.

Tin sulfide (SnS) is a candidate material for Earth-abundant, non-toxic solar cells. Here, we demonstrate the fabrication procedure of the SnS solar cells employing atomic layer deposition, which yields 4.36% certified power conversion efficiency, and thermal evaporation which yields 3.88%.

Erstellen Rekordeffizienz SnS Solarzellen durch thermische Verdampfung und Atomic Layer Deposition

Tin sulfide (SnS) is a candidate absorber material for Earth-abundant, non-toxic solar cells. SnS offers easy phase control and rapid growth by congruent ...

Fabrication of Fully Solution Processed Inorganic Nanocrystal Photovoltaic Devices

We demonstrate a method for the preparation of fully solution processed inorganic solar cells from a spin and spray coating deposition of nanocrystal inks. For the photoactive absorber layer, colloidal CdTe and CdSe nanocrystals (3-5 nm) are synthesized using an inert hot injection technique and cleaned with precipitations to remove excess starting reagents. Similarly, gold nanocrystals (3-5 nm) are synthesized under ambient conditions and dissolved in organic solvents. In addition, precursor solutions for transparent conductive indium tin oxide (ITO) films are prepared from solutions of indium and tin salts paired with a reactive oxidizer. Layer-by-layer, these solutions are deposited onto a glass substrate following annealing (200-400 &#176;C) to build the nanocrystal solar cell (glass/ITO/CdSe/CdTe/Au). Pre-annealing ligand exchange is required for CdSe and CdTe nanocrystals where films are dipped in NH4Cl:methanol to replace long-chain native ligands with small inorganic Cl- anions. NH4Cl(s) was found to act as a catalyst for the sintering reaction (as a non-toxic alternative to the conventional CdCl2(s) treatment) leading to grain growth (136&#177;39 nm) during heating. The thickness and roughness of the prepared films are characterized with SEM and optical profilometry. FTIR is used to determine the degree of ligand exchange prior to sintering, and XRD is used to verify the crystallinity and phase of each material. UV/Vis spectra show high visible light transmission through the ITO layer and a red shift in the absorbance of the cadmium chalcogenide nanocrystals after thermal annealing. Current-voltage curves of completed devices are measured under simulated one sun illumination. Small differences in deposition techniques and reagents employed during ligand exchange have been shown to have a profound influence on the device properties. Here, we examine the effects of chemical (sintering and ligand exchange agents) and physical treatments (solution concentration, spray-pressure, annealing time and annealing temperature) on photovoltaic device performance.

This protocol describes the synthesis and solution deposition of inorganic nanocrystals layer by layer to produce thin film electronics on non-conductive surfaces. Solvent-stabilized inks can produce complete photovoltaic devices on glass substrates via spin and spray coating following post-deposition ligand exchange and sintering.

Die Herstellung von Voll Lösung verarbeitet Anorganische Nanokristalline Photovoltaik-Anlagen

We demonstrate a method for the preparation of fully solution processed inorganic solar cells from a spin and spray coating deposition of nanocrystal ...

Influence of Hybrid Perovskite Fabrication Methods on Film Formation, Electronic Structure, and Solar Cell Performance

Hybrid organic/inorganic halide perovskites have lately been a topic of great interest in the field of solar cell applications, with the potential to achieve device efficiencies exceeding other thin film device technologies. Yet, large variations in device efficiency and basic physical properties are reported. This is due to unintentional variations during film processing, which have not been sufficiently investigated so far. We therefore conducted an extensive study of the morphology and electronic structure of a large number of CH3NH3PbI3 perovskite where we show how the preparation method as well as the mixing ratio of educts methylammonium iodide and lead(II) iodide impact properties like film formation, crystal structure, density of states, energy levels, and ultimately the solar cell performance.

We present an extensive study on the effects of different fabrication methods for organic/inorganic perovskite thin films by comparing crystal structures, density of states, energy levels, and ultimately the solar cell performance.

Einfluss von Hybrid Perowskit-Herstellungsverfahren auf Filmbildung, Elektronische Struktur und Leistung der Solarzelle

Hybrid organic/inorganic halide perovskites have lately been a topic of great interest in the field of solar cell applications, with the potential to ...

Chemie

Morphology Control for Fully Printable Organic&#8211;Inorganic Bulk-heterojunction Solar Cells Based on a Ti-alkoxide and Semiconducting Polymer

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.

A method for fully printable, fullerene-free, highly air-stable, bulk-heterojunction solar cells based on Ti alkoxides as the electron acceptor and the electron-donating polymer fabrication is described here. Moreover, a method for controlling the morphology of the photoactive layer through the molecular bulkiness of the Ti-alkoxide units is reported.

Morphologie-Steuerung für Volldruck organisch-anorganische Masse-Heterosolarzellen Basierend auf einem Ti-Alkoxid und halbleitendes Polymer

The photoactive layer of a typical organic thin-film bulk-heterojunction (BHJ) solar cell commonly uses fullerene derivatives as the electron-accepting ...

Monovalent Cation Doping of CH3NH3PbI3 for Efficient Perovskite Solar Cells

Here, we demonstrate the incorporation of monovalent cation additives into CH3NH3PbI3 perovskite in order to adjust the optical, excitonic, and electrical properties. The possibility of doping was investigated by adding monovalent cation halides with similar ionic radii to Pb2+, including Cu+, Na+, and Ag+. A shift in the Fermi level and a remarkable decrease of sub-bandgap optical absorption, along with a lower energetic disorder in the perovskite, was achieved. An order-of-magnitude enhancement in the bulk hole mobility and a significant reduction of transport activation energy within an additive-based perovskite device was attained. The confluence of the aforementioned improved properties in the presence of these cations led to an enhancement in the photovoltaic parameters of the perovskite solar cell. An increase of 70 mV in open circuit voltage for AgI and a 2 mA/cm2 improvement in photocurrent density for NaI- and CuBr-based solar cells were achieved compared to the pristine device. Our work paves the way for further improvements in the optoelectronic quality of CH3NH3PbI3 perovskite and subsequent devices. It highlights a new avenue for investigations on the role of dopant impurities in crystallization and controls the electronic defect density in perovskite structures.

Monovalent Cation Doping of CH3NH3PbI3 for Efficient Perovskite Solar Cells

Here, we present a protocol to adjust the properties of solution-processed CH3NH3PbI3 through the incorporation of monovalent cation additives in order to achieve highly efficient perovskite solar cells.

Einwertiges Kation Dotierung von CH<sub&gt; 3</sub&gt; NH<sub&gt; 3</sub&gt; PbI<sub&gt; 3</sub&gt; Für effiziente Perowskit-Solarzellen

Here, we demonstrate the incorporation of monovalent cation additives into CH3NH3PbI3 perovskite in order to adjust the optical, excitonic, and electrical ...

Well-aligned Vertically Oriented ZnO Nanorod Arrays and their Application in Inverted Small Molecule Solar Cells

This manuscript describes how to design and fabricate efficient inverted solar cells, which are based on a two-dimensional conjugated small molecule (SMPV1) and [6,6]-phenyl-C71-butyric acid methyl ester (PC71BM), by utilizing ZnO nanorods (NRs) grown on a high quality Al-doped ZnO (AZO) seed layer. The inverted SMPV1:PC71BM solar cells with ZnO NRs that grew on both a sputtered and sol-gel processed AZO seed layer are fabricated. Compared with the AZO thin film prepared by the sol-gel method, the sputtered AZO thin film exhibits better crystallization and lower surface roughness, according to X-ray diffraction (XRD) and atomic force microscope (AFM) measurements. The orientation of the ZnO NRs grown on a sputtered AZO seed layer shows better vertical alignment, which is beneficial for the deposition of the subsequent active layer, forming better surface morphologies. Generally, the surface morphology of the active layer mainly dominates the fill factor (FF) of the devices. Consequently, the well-aligned ZnO NRs can be used to improve the carrier collection of the active layer and to increase the FF of the solar cells. Moreover, as an anti-reflection structure, it can also be utilized to enhance the light harvesting of the absorption layer, with the power conversion efficiency (PCE) of solar cells reaching 6.01%, higher than the sol-gel based solar cells with an efficiency of 4.74%.

This manuscript describes how to design and fabricate efficient inverted SMPV1:PC71BM solar cells with ZnO nanorods (NRs) grown on a high quality Al-doped ZnO (AZO) seed layer. The well-aligned vertically oriented ZnO NRs exhibit high crystalline properties. The power conversion efficiency of solar cells can reach 6.01%.

Gut abgestimmten vertikal orientierte ZnO Nanorod Arrays und deren Anwendung in invertiert kleine Molekül Solarzellen

This manuscript describes how to design and fabricate efficient inverted solar cells, which are based on a two-dimensional conjugated small molecule ...

Using Cyclic Voltammetry, UV-Vis-NIR, and EPR Spectroelectrochemistry to Analyze Organic Compounds

Cyclic voltammetry (CV) is a technique used in the analysis of organic compounds. When this technique is combined with electron paramagnetic resonance (EPR) or ultraviolet-visible and near-infrared (UV-Vis-NIR) spectroscopies, we obtain useful information such as electron affinity, ionization potential, band-gap energies, the type of charge carriers, and degradation information that can be used to synthesize stable organic electronic devices. In this study, we present electrochemical and spectroelectrochemical methods to analyze the processes occurring in active layers of an organic device as well as the generated charge carriers.

In this article, we describe electrochemical, electron paramagnetic resonance, and ultraviolet-visible and near-infrared spectroelectrochemical methods to analyze organic compounds for application in organic electronics.

Mithilfe von zyklischer Voltammetrie, UV-Vis-NIR und EPR Spectroelectrochemistry organische Verbindungen analysieren

Cyclic voltammetry (CV) is a technique used in the analysis of organic compounds. When this technique is combined with electron paramagnetic resonance ...

Fabrication of Robust Nanoscale Contact between a Silver Nanowire Electrode and CdS Buffer Layer in Cu(In,Ga)Se2 Thin-film Solar Cells

Silver nanowire transparent electrodes have been employed as window layers for Cu(In,Ga)Se2 thin-film solar cells. Bare silver nanowire electrodes normally result in very poor cell performance. Embedding or sandwiching silver nanowires using moderately conductive transparent materials, such as indium tin oxide or zinc oxide, can improve cell performance. However, the solution-processed matrix layers can cause a significant number of interfacial defects between transparent electrodes and the CdS buffer, which can eventually result in low cell performance. This manuscript describes how to fabricate robust electrical contact between a silver nanowire electrode and the underlying CdS buffer layer in a Cu(In,Ga)Se2 solar cell, enabling high cell performance using matrix-free silver nanowire transparent electrodes. The matrix-free silver nanowire electrode fabricated by our method proves that the charge-carrier collection capability of silver nanowire electrode-based cells is as good as that of standard cells with sputtered ZnO:Al/i-ZnO as long as the silver nanowires and CdS have high-quality electrical contact. The high-quality electrical contact was achieved by depositing an additional CdS layer as thin as 10 nm onto the silver nanowire surface.

Fabrication of Robust Nanoscale Contact between a Silver Nanowire Electrode and CdS Buffer Layer in CuIn,GaSe2 Thin-film Solar Cells

In this protocol, we describe the detailed experimental procedure for the fabrication of a robust nanoscale contact between a silver nanowire network and CdS buffer layer in a CIGS thin-film solar cell.

Herstellung eines robusten Nano-Kontakts zwischen einer Silber-Nanodrahtelektrode und einer CdS-Pufferschicht in Cu(In,Ga)Se2 Dünnschicht-Solarzellen

Ambient Verfahren zur Herstellung eines ionisch Gated Carbon Nanotube Gemeinsame Kathode in Tandem Organische Solarzellen

Zusammenfassung

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