Cải thiện hiệu suất của các tế bào năng lượng mặt trời dựa trên poly(3-hexylthiophene)/mảng nanorod ZnO thông qua việc đưa vào một thành phần thứ ba

Science China Physics, Mechanics & Astronomy - Tập 57 - Trang 1289-1298 - 2014
Peng Zhong1,2, WenXiu Que1,2, Jin Zhang1,2, Yuan Yuan1,2, YuLong Liao1,2, XingTian Yin1,2, LingBing Kong3, Xiao Hu3
1Electronic Materials Research Laboratory, School of Electronic and Information Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an, China
2International Center for Dielectric Research, Xi’an Jiaotong University, Xi’an, China
3School of Materials Science and Engineering, Nanyang Technological University, Singapore, Singapore

Tóm tắt

Các mảng nanorod ZnO thưa được chế tạo trên các đế kính phủ oxit dẫn điện trong suốt bằng phương pháp tăng trưởng pha lỏng (liquid phase epitaxy) được điều chỉnh. Bằng cách điều chỉnh nồng độ polymer và các thông số quay-coating, sự thẩm thấu hoàn toàn của poly(3-hexylthiophene) (P3HT) vào các mảng ZnO NRAs đã qua chế biến được đạt được ở nhiệt độ 130°C trong chân không. Một thành phần thứ ba được đưa vào các kiến trúc heterojunction kích thước lớn (BHJ) P3HT/ZnO NRAs có trật tự thông qua việc sửa đổi bề mặt ZnO bằng phẩm nhuộm N719 hoặc lớp vỏ CdS, hoặc bằng cách đưa vào một dẫn xuất fullerene vào ma trận P3HT. Kết quả thực nghiệm cho thấy hiệu suất của các tế bào năng lượng mặt trời hybrid được cải thiện đáng kể với sự đưa vào của thành phần thứ ba. Tuy nhiên, nguyên lý hoạt động của các thành phần thứ ba này khác nhau tùy thuộc vào hình thái, cấu trúc, tính chất quang học, quá trình chuyển giao điện tích và các đặc tính giao diện của các cấu trúc hợp thành. Một kiến trúc thiết bị lý tưởng cho các tế bào năng lượng mặt trời hybrid dựa trên các BHJ có trật tự của P3HT/ZnO NRAs được đề xuất, có thể được sử dụng như một hướng dẫn để tăng cường hiệu suất chuyển đổi năng lượng của các tế bào năng lượng mặt trời này.

Từ khóa

#nanorod ZnO #poly(3-hexylthiophene) #tế bào năng lượng mặt trời hybrid #lớp vỏ CdS #phẩm nhuộm N719 #fullerene

Tài liệu tham khảo

Chen W, Zhang H, Hsing I M, et al. A new photoanode architecture of dye sensitized solar cell based on ZnO nanotetrapods with no need for calcinations. Electrochem Commun, 2009, 11(5): 1057–1060 Shi Y, Zhan C, Wang L, et al. Polydisperse spindle-shaped ZnO particles with their packing micropores in the photoanode for highly efficient quasi-solid dye-sensitized solar cells. Adv Funct Mater, 2010, 20(3): 437–444 Zhang Z, Yuan Y, Liang L, et al. Preparation and photoelectrocatalytic activity of ZnO nanorods embedded in highly ordered TiO2 nanotube arrays electrode for azo dye degradation. J Hazard Mater, 2008, 158(2–3): 517–522 Ko S H, Park I, Pan H, et al. ZnO nanowire network transistor fabrication on a polymer substrate by low-temperature, all-inorganic nanoparticle solution process. Appl Phys Lett, 2008, 92(15): 154102 Guo H, Zhou J, Lin Z. ZnO nanorod light-emitting diodes fabricated by electrochemical approaches. Electrochem Commun, 2008, 10(1): 146–150 Zhang Q, Dandeneau C S, Candelaria S, et al. Effects of lithium ions on dye-sensitized ZnO aggregate solar cells. Chem Mater, 2010, 22(8): 2427–2433 Zheng Y, Tao X, Wang L, et al. Novel ZnO-based film with double light-scattering layers as photoelectrodes for enhanced efficiency in dye-sensitized solar cells. Chem Mater, 2010, 22(3): 928–934 Beek W J E, Wienk M M, Janssen R A J. Hybrid polymer solar cells based on zinc oxide. J Mater Chem, 2005, 15(29): 2985–2988 Beek W J E, Wienk M M, Kemerink M, et al. Hybrid zinc oxide conjugated polymer bulk heterojunction solar cells. J Phys Chem B, 2005, 109(19): 9505–9516 Beek W J E, Wienk M M, Janssen R A J. Hybrid solar cells from regioregular polythiophene and ZnO nanoparticles. Adv Funct Mater, 2006, 16(8): 1112–1116 Quist P A C, Beek W J E, Wienk M M, et al. Photogeneration and decay of charge carriers in hybrid bulk heterojunctions of ZnO nanoparticles and conjugated polymers. J Phys Chem B, 2006, 110(21): 10315–10321 Lin Y, Wang L, Chiu W. Novel poly(3-methylthiophene)-TiO2 hybrid materials for photovoltaic cells. Thin Solid Films, 2006, 511–512: 199–202 Cecchetto E, Slooff L H, de Cola L, et al. Femtosecond spectroscopic studies of photoinduced electron transfer in MDMO-PPV:ZnO hybrid bulk heterojunctions. J Lumin, 2007, 122–123: 546–548 Plank N O V, Welland M E, Macmanus-Driscoll J L, et al. The backing layer dependence of open circuit voltage in ZnO/polymer composite solar cells. Thin Solid Films, 2008, 516(20): 7218–7222 Oosterhout S D, Wienk M M, Van Bavel S S, et al. The effect of three-dimensional morphology on the efficiency of hybrid polymer solar cells. Nat Mater, 2009, 8(10): 818–824 Beek W J E, Slooff L H, Wienk M M, et al. Hybrid solar cells using a zinc oxide precursor and a conjugated polymer. Adv Funct Mater, 2005, 15(10): 1703–1707 Boucle J, Ravirajan P, Nelson J. Hybrid polymer-metal oxide thin films for photovoltaic applications. J Mater Chem, 2007, 17(30): 3141–3151 Shaw P E, Ruseckas A, Samuel I D W. Exciton diffusion measurements in poly(3-hexylthiophene). Adv Mater, 2008, 20(18): 3516–3520 Goh C, Scully S R, McGehee M D. Effects of molecular interface modification in hybrid organic-inorganic photovoltaic cells. J Appl Phys, 2007, 101(11): 114503 Peiro A M, Ravirajan P, Govender K, et al. Hybrid polymer/metal oxide solar cells based on ZnO columnar structures. J Mater Chem, 2006, 16(21): 2088–2096 Sung Y H, Liao W P, Chen D W, et al. Room-temperature tailoring of vertical ZnO nanoarchitecture morphology for efficient hybrid polymer solar cells. Adv Funct Mater, 2012, 22(18): 3808–3814 Olson D C, Lee Y J, White M S, et al. Effect of polymer processing on the performance of poly(3-hexylthiophene)/ZnO nanorod photovoltaic devices. J Phys Chem C, 2007, 111(44): 16640–16645 Greene L E, Law M, Yuhas B D, et al. ZnO-TiO2 core-shell nano rod/P3HT solar cells. J Phys Chem C, 2007, 111(50): 18451–18456 Olson D C, Shaheen S E, Collins R T, et al. The effect of atmosphere and ZnO morphology on the performance of hybrid poly(3-hexylthiophene)/ZnO nanofiber photovoltaic devices. J Phys Chem C, 2007, 111(44): 16670–16678 Olson D C, Lee Y J, White M S, et al. Effect of ZnO processing on the photovoltage of ZnO/poly(3-hexylthiophene) solar cells. J Phys Chem C, 2008, 112(26): 9544–9547 Baeten L, Conings B, Boyen H G, et al. Towards efficient hybrid solar cells based on fully polymer infiltrated ZnO nanorod arrays. Adv Mater, 2011, 23(25): 2802–2805 Saba M I, Melis C, Colombo L, et al. Polymer crystallinity and transport at the poly(3-hexylthiophene)/zinc oxide interface. J Phys Chem C, 2011, 115(19): 9651–9655 Said A J, Poize G, Martini C, et al. Hybrid bulk heterojunction solar cells based on P3HT and porphyrin-modified ZnO nanorods. J Phys Chem C, 2010, 114(25): 11273–11278 Vaynzof Y, Kabra D, Zhao L, et al. Improved photoinduced charge carriers separation in organic-inorganic hybrid photovoltaic devices. Appl Phys Lett, 2010, 97(3): 033309 Shao S, Liu F, Fang G, et al. Enhanced performances of hybrid polymer solar cells with p-methoxybenzoic acid modified zinc oxide nanoparticles as an electron acceptor. Org Electron, 2011, 12(4): 641–647 Lin Y Y, Lee Y Y, Chang L, et al. The influence of interface modifier on the performance of nanostructured ZnO/polymer solar cells. Appl Phys Lett, 2009, 94(6): 063308 Tai Q, Zhao X, Yan F. Hybrid solar cells based on poly(3-hexylthiophene) and electronspun TiO2 nanofibers with effective interface modification. J Mater Chem, 2010, 20(35): 7366–7371 Yao K, Chen L, Chen Y, et al. Interfacial nanostructuring of ZnO nanoparticles by fullerene surface functionalization for “annealing-free” hybrid bulk heterojunction solar cells. J Phys Chem C, 2012, 116(5): 3486–3491 Takanezawa K, Hirota K, Wei Q S, et al. Efficient charge collection with ZnO nanorod array in hybrid photovoltaic devices. J Phys Chem C, 2007, 111(19): 7218–7223 Huang J, Yin Z, Zheng Q. Application of ZnO in organic and hybrid solar cells. Energy Environ Sci, 2011, 4(10): 3861–3877 Liao H, Lin C, Chen Y, et al. Improvement in photovoltaic performance for hybrid P3HT/elongated CdS nanocrystals solar cells with F-doped SnO2 arrays. J Mater Chem, 2010, 20(26): 5429–5435 Yin Y T, Que W X, Kam C H. ZnO nanorods on ZnO seed layer derived by sol-gel process. J Sol-Gel Sci Technol, 2010, 53(3): 605–612 Qiu X, Que W, Yin X, et al. ZnO/CdS/CdSe core/double shell nanorod arrays derived by a successive ionic layer a dsorption and reaction process for quantum dot-sensitized solar cells. Semicond Sci Tech, 2011, 26(9): 095028 Coakley K M, Liu Y, McGehee M D, et al. Infiltrating semiconductor polymers into self-assembled mesoporous titania films for photovoltaic applications. Adv Funct Mater, 2003, 13(4): 301–306 Abrusci A, Ding I, Al-Hashimi M, et al. Facile infiltration of semiconductor polymer into mesoporous electrodes for hybrid solar cells. Energy Environ Sci, 2011, 4(8): 3051–3058 Lee B, Buchholz D B, Guo P, et al. Optimizing the performance of a plastic dye-sensitized solar cell. J Phys Chem C, 2011, 115(19): 9787–9796 Hirose F, Shikaku M, Kimura Y, et al. IR study on N719 dye adsorption with high temperature dye solution for highly efficient dye-sensitized solar cells. J Electrochem Soc, 2010, 157(11): B1578–B1581 Weickert J, Auras F, Bein T, et al. Characterization of interfacial modifiers for hybrid solar cells. J Phys Chem C, 2011, 115(30): 15081–15088 Chang J A, Rhee J H, Im S H, et al. High-performance nanostructured inorganic-organic heterojunction solar cells. Nano Lett, 2010, 10(7): 2609–2612 He Z, Zhong C, Huang X, et al. Simultaneous enhancement of open-circuit voltage, short-circuit current density, and fill factor in polymer solar cells. Adv Mater, 2011, 23(40): 4636–4643