Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Tăng cường hiệu suất của pin mặt trời hữu cơ đảo ngược bằng cách sử dụng ZnO được biến đổi bằng phân tử rượu làm lớp vận chuyển electron
Tóm tắt
Phim oxit kẽm (ZnO) đóng vai trò là lớp vận chuyển electron (ETL) đã được biến đổi bằng các phân tử rượu trong các pin mặt trời hữu cơ đảo ngược. Mức năng lượng tối thiểu của dải dẫn (conduction band minimum) của ZnO được giảm bớt nhờ các chất biến đổi bề mặt nhằm nâng cao khả năng truyền tải điện tích và thu nhận electron. Quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) của ZnO cho thấy rằng các phân tử rượu đã được kết hợp thành công và giảm thiểu nhóm hydroxyl để cải thiện tính kỵ nước của phim ZnO. Độ nhám cải thiện của các phim ZnO đã được biến đổi cung cấp độ bám dính bề mặt tốt hơn và tiếp xúc gần gũi giữa ETL và lớp hoạt tính được lắng đọng sau đó. Hình ảnh từ kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) cho thấy hình dạng của lớp hoạt tính trên ZnO/1,3-propanediol (ZnO/PDO) thể hiện sự phân tách pha vừa phải nhất và cấu trúc mạng đan xen để tăng cường sự hấp thụ ánh sáng (hiệu suất lượng tử bên ngoài (EQE) = 79%, cải thiện 22%), thuận lợi hơn cho việc tách exciton và truyền tải điện tích với độ di động electron cao nhất khoảng ~ 1.07 × 10–2 cm2 V−1 s−1 và điện trở truyền tải điện tích thấp nhất khoảng ~ 1334 Ω (giảm 34%). Do đó, thiết bị dựa trên ZnO/PDO cho thấy hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao nhất đạt 7,05% cải thiện 28%, với mức tăng 13% và 15% trong mật độ dòng điện ngắn mạch (Jsc) và hệ số lấp đầy (FF), tương ứng.
Từ khóa
#các phân tử rượu #oxit kẽm #lớp vận chuyển electron #pin mặt trời hữu cơ đảo ngược #hiệu suất chuyển đổi năng lượngTài liệu tham khảo
L. Sun, W. Zeng, C. Xie, L. Hu, X. Dong, F. Qin, W. Wang, T. Liu, X. Jiang, Y. Jiang, Y. Zhou, Flexible all-solution-processed organic solar cells with high-performance nonfullerene active layers. Adv. Mater. 32, 1907840 (2020)
Y. Wang, N. Li, M. Cui, Y. Li, X. Tian, X. Xu, Q. Rong, D. Yuan, G. Zhou, L. Nian, High-performance hole transport layer based on WS2 doped PEDOT:PSS for organic solar cells. Org. Electron. 99, 106305 (2021)
W. Wang, F. Qin, X. Zhu, Y. Liu, X. Jiang, L. Sun, C. Xie, Y. Zhou, Exploring the chemical interaction between diiodooctane and PEDOT-PSS electrode for metal electrode-free nonfullerene organic solar cells. ACS Appl. Mater. Interfaces 12, 3800–3805 (2020)
M. Finn II., C.J. Martens, A.V. Zaretski, B. Roth, R.R. Sondergaard, F.C. Krebs, D.J. Lipomi, Mechanical stability of roll-to-roll printed solar cells under cyclic bending and torsion. Sol. Energy Mater. Sol. Cells 174, 7–15 (2018)
J. Yuan, Y. Zhang, L. Zhou, G. Zhang, H.-L. Yip, T.-K. Lau, X. Lu, C. Zhu, H. Peng, P.A. Johnson, M. Leclerc, Y. Cao, J. Ulanski, Y. Li, Y. Zou, Single-junction organic solar cell with over 15% efficiency using fused-ring acceptor with electron-deficient core. Joule 3, 1140–1151 (2019)
I. Anefnaf, S. Aazou, G. Schmerber, A. Dinia, Z. Sekkat, Tailoring PEIE capped ZnO binary cathode for solution-processed inverted organic solar cells. Opt. Mater. 116, 111070 (2021)
G. Al-Dainy, F. Watanabe, A.S. Biris, S.E. Bourdo, Surface passivation of triple-cation perovskite via organic halide-saturated antisolvent for inverted planar solar cells. ACS Appl. Energy Mater. 4, 3297–3309 (2021)
I. Anefnaf, S. Aazou, G. Schmerber, S. Refki, N. Zimmermann, T. Heiser, G. Ferblantier, A. Slaoui, A. Dinia, M. Abd-Lefdil, Z. Sekkat, Polyethylenimine-ethoxylated interfacial layer for efficient electron collection in SnO2-based inverted organic solar cells. Crystals 10, 731 (2020)
J.Y. Kim, S. Rhee, H. Lee, K. An, S. Biswas, Y. Lee, J.W. Shim, C. Lee, H. Kim, Universal elaboration of al-doped TiO2 as an electron extraction layer in inorganic-organic hybrid perovskite and organic solar cells. Adv. Mater. Interfaces 7, 1902003 (2020)
M. Liu, Y. Xu, Z. Gao, C. Zhang, J. Yu, J. Wang, X. Ma, H. Hu, H. Yin, F. Zhang, B. Man, Q. Sun, Natural biomaterial sarcosine as an interfacial layer enables inverted organic solar cells to exhibit over 16.4% efficiency. Nanoscale 13, 11128–11137 (2021)
M. Zafar, J.-Y. Yun, D.-H. Kim, Improved inverted-organic-solar-cell performance via sulfur doping of ZnO films as electron buffer layer. Mater. Sci. Semicond. Process. 96, 66–72 (2019)
A. Tournebize, D. Deribew, A. Gregori, R.C. Hiorns, A. Distler, H.-J. Egelhaaf, C. Lartigau-Dagron, A. Allal, A. Rivaton, H. Peisert, T. Chasse, Influence of material migration on the mechanical integrity of inverted organic solar cells. Sol. Energy Mater. Sol. Cells 200, 110008 (2019)
S. Chen, C.E. Small, C.M. Amb, J. Subbiah, T.-H. Lai, S.-W. Tsang, J.R. Manders, J.R. Reynolds, F. So, Inverted polymer solar cells with reduced interface recombination. Adv. Energy Mater. 2, 1333–1337 (2012)
M. Hartel, S. Chen, B. Swerdlow, H.-Y. Hsu, J. Manders, K. Schanze, F. So, Defect-induced loss mechanisms in polymer-inorganic planar heterojunction solar cells. ACS Appl. Mater. Interfaces 5, 7215–7218 (2013)
M. Guenther, D. Blaette, A.L. Oechsle, S.S. Rivas, A.A.Y. Amin, P. Mueller-Buschbaum, T. Bein, T. Ameri, Increasing photostability of inverted nonfullerene organic solar cells by using fullerene derivative additives. ACS Appl. Mater. Interfaces 13, 19072–19084 (2021)
A. Gadisa, Y. Liu, E.T. Samulski, R. Lopez, Minimizing interfacial losses in inverted organic solar cells comprising Al-doped ZnO. Appl. Phys. Lett. 100, 253903 (2012)
J.-H. Kim, J. Ma, S. Lee, S. Jo, C.S. Kim, Effect of ultraviolet-ozone treatment on the properties and antibacterial activity of zinc oxide sol-gel film. Materials 12, 2422 (2019)
Z. Youssef, L. Colombeau, N. Yesmurzayeva, F. Baros, R. Vanderesse, T. Hamieh, J. Toufaily, C. Frochot, T. Roques-Carmes, S. Acherar, Dye-sensitized nanoparticles for heterogeneous photocatalysis: cases studies with TiO2, ZnO, fullerene and graphene for water purification. Dyes Pigm. 159, 49–71 (2018)
H. Noei, H. Qiu, Y. Wang, E. Loeffler, C. Woell, M. Muhler, The identification of hydroxyl groups on ZnO nanoparticles by infrared spectroscopy. Phys. Chem. Chem. Phys. 10, 7092–7097 (2008)
Y. Sun, J.H. Seo, C.J. Takacs, J. Seifter, A.J. Heeger, Inverted polymer solar cells integrated with a low-temperature-annealed sol-gel-derived ZnO Film as an electron transport layer. Adv. Mater. 23, 1679–1683 (2011)
Y.E. Ha, M.Y. Jo, J. Park, Y.-C. Kang, S.-J. Moon, J.H. Kim, Effect of self-assembled monolayer treated ZnO as an electron transporting layer on the photovoltaic properties of inverted type polymer solar cells. Synth. Met. 187, 113–117 (2014)
Y.E. Ha, M.Y. Jo, J. Park, Y.-C. Kang, S.I. Yoo, J.H. Kim, Inverted type polymer solar cells with self-assembled mono layer treated ZnO. J. Phys. Chem. C 117, 2646–2652 (2013)
S. Shao, K. Zheng, T. Pullerits, F. Zhang, Enhanced performance of inverted polymer solar cells by using poly(ethylene oxide)-modified ZnO as an electron transport layer. ACS Appl. Mater. Interfaces 5, 380–385 (2013)
S.B. Jo, J.H. Lee, M. Sim, M. Kim, J.H. Park, Y.S. Choi, Y. Kim, S.-G. Ihn, K. Cho, High performance organic photovoltaic cells using polymer-hybridized ZnO nanocrystals as a cathode interlayer. Adv. Energy Mater. 1, 690–698 (2011)
S.H. Liao, H.J. Jhuo, Y.S. Cheng, S.A. Chen, Fullerene derivative-doped zinc oxide nanofilm as the cathode of inverted polymer solar cells with low-bandgap polymer (PTB7-Th) for high performance. Adv. Mater. 25, 4766–4771 (2013)
S. Bai, Y. Jin, X. Liang, Z. Ye, Z. Wu, B. Sun, Z. Ma, Z. Tang, J. Wang, U. Wuerfel, F. Gao, F. Zhang, Ethanedithiol treatment of solution-processed ZnO thin films: controlling the intragap states of electron transporting interlayers for efficient and stable inverted organic photovoltaics. Adv. Energy Mater. 5, 1401606 (2015)
K. Li, Y. Wu, Y. Tang, M.-A. Pan, W. Ma, H. Fu, C. Zhan, J. Yao, Ternary blended fullerene-free polymer solar cells with 16.5% efficiency enabled with a higher-LUMO-level acceptor to improve film morphology. Adv. Energy Mater. 9, 1901728 (2019)
T. Su, Origin of surface potential in undoped zinc oxide films revealed by advanced scanning probe microscopy techniques. RSC Adv. 7, 42393–42397 (2017)
T. Van-Huong, S.H. Eom, S.C. Yoon, S.-K. Kim, S.-H. Lee, Enhancing device performance of inverted organic solar cells with SnO2/Cs2CO3 as dual electron transport layers. Org. Electron. 68, 85–95 (2019)
S.M. Lam, J.C. Sin, A.Z. Abdullah, A.R. Mohamed, Degradation of wastewaters containing organic dyes photocatalysed by zinc oxide: a review. Desalin. Water Treat. 41, 131–169 (2012)
Z. Zheng, Q. Hu, S. Zhang, D. Zhang, J. Wang, S. Xie, R. Wang, Y. Qin, W. Li, L. Hong, N. Liang, F. Liu, Y. Zhang, Z. Wei, Z. Tang, T.P. Russell, J. Hou, H. Zhou, A highly efficient non-fullerene organic solar cell with a fill factor over 0.80 enabled by a fine-tuned hole-transporting layer. Adv. Mater. 30, 1801801 (2018)
J.R. Manders, S.-W. Tsang, M.J. Hartel, T.-H. Lai, S. Chen, C.M. Amb, J.R. Reynolds, F. So, Solution-processed nickel oxide hole transport layers in high efficiency polymer photovoltaic cells. Adv. Funct. Mater. 23, 2993–3001 (2013)
V. Vohra, K. Kawashima, T. Kakara, T. Koganezawa, I. Osaka, K. Takimiya, H. Murata, Efficient inverted polymer solar cells employing favourable molecular orientation. Nat. Photonics 9, 403 (2015)
J.F. Li, J.C. Qin, X.P. Liu, M.L. Ren, J.F. Tong, N. Zheng, W.C. Chen, Y.J. Xia, Enhanced organic photovoltaic performance through promoting crystallinity of photoactive layer and conductivity of hole-transporting layer by V2O5 doped PEDOT:PSS hole-transporting layers. Sol. Energy 211, 1102–1109 (2020)
Y.F. Wang, Z.Z. Liang, X.M. Li, J.C. Qin, M.L. Ren, C.Y. Yang, X.C. Bao, Y.J. Xia, J.F. Li, Self-doping n-type polymer as a cathode interface layer enables efficient organic solar cells by increasing built-in electric field and boosting interface contact. J. Mater. Chem. C 7, 11152–11159 (2019)
J. You, C.-C. Chen, L. Dou, S. Murase, H.-S. Duan, S.A. Hawks, T. Xu, H.J. Son, L. Yu, G. Li, Y. Yang, Metal oxide nanoparticles as an electron-transport layer in high-performance and stable inverted polymer solar cells. Adv. Mater. 24, 5267–5272 (2012)
Q. Sun, F. Zhang, J. Wang, Q. An, C. Zhao, L. Li, F. Teng, B. Hu, A two-step strategy to clarify the roles of a solution processed PFN interfacial layer in highly efficient polymer solar cells. J. Mater. Chem. A 3, 18432–18441 (2015)
T. Yang, M. Wang, C. Duan, X. Hu, L. Huang, J. Peng, F. Huang, X. Gong, Inverted polymer solar cells with 8.4% efficiency by conjugated polyelectrolyte. Energy Environ. Sci. 5, 8208–8214 (2012)
J. Guo, Z. Li, M. Wang, Y. Sun, D. Fu, C. Liu, W. Guo, Fullerene derivative layer induced phase separation and charge transport improvement for inverted polymer solar cells. Thin Solid Films 690, 137559 (2019)
W. Zhou, Q. Ai, L. Zhang, X. Liu, X. Hu, Y. Chen, Crystalline and active additive for optimization morphology and absorption of narrow bandgap polymer solar cells. J Polym Sci Pol Chem 55, 726–733 (2017)
K. Midori, T. Fukuhara, Y. Tamai, H.D. Kim, H. Ohkita, Enhanced hole transport in ternary blend polymer solar cells. Chem Phys Chem 20, 2683–2688 (2019)
Y. Wang, Z. Liang, J. Qin, J. Tong, P. Guo, X. Cao, J. Li, Y. Xia, An alcohol-soluble polymer electron transport layer based on perylene diimide derivatives for polymer solar cells. IEEE J. Photovoltaics 9, 1678–1685 (2019)
M. Abbas, N. Tekin, Balanced charge carrier mobilities in bulk heterojunction organic solar cells. Appl. Phys. Lett. 101, 073302 (2012)
B. Ebenhoch, S.A.J. Thomson, K. Genevicius, G. Juska, I.D.W. Samuel, Charge carrier mobility of the organic photovoltaic materials PTB7 and PC71BM and its influence on device performance. Org. Electron. 22, 62–68 (2015)
Y. Lin, J. Wang, Z.G. Zhang, H. Bai, Y. Li, D. Zhu, X. Zhan, An electron acceptor challenging fullerenes for efficient polymer solar cells. Adv. Mater. 27, 1170–1174 (2015)
H. Yin, S.H. Cheung, J.H.L. Ngai, C.H.Y. Ho, K.L. Chiu, X. Hao, H.W. Li, Y. Cheng, S.W. Tsang, S.K. So, Thick-film high-performance bulk-heterojunction solar cells retaining 90% PCEs of the optimized thin film cells. Adv. Electron. Mater. 3, 1700007 (2017)
J. Bisquert, Theory of the impedance of electron diffusion and recombination in a thin layer. J. Phys. Chem. B 106, 325–333 (2002)
M. Wang, M. Zhou, L. Zhu, Q. Li, C. Jiang, Enhanced polymer solar cells efficiency by surface coating of the PEDOT: PSS with polar solvent. Sol. Energy 129, 175–183 (2016)