Прозрачный проводящий электрод на основе углеродных нанотрубок, формируемый аэрозольным распылением на полимерном слое P3HT:PCBM
Солнечные элементы на основе органических материалов характеризуются недостаточной временной стабильностью, особенно перовскитные солнечные элементы, что делает важным исследования альтернативных материалов электродов и методов их нанесения. Применение композитов полимеров и неорганических материалов, в частности углеродных нанотрубок (УНТ), без легирования позволяет повысить стабильность солнечных элементов и снизить их стоимость. В работе представлены результаты растворимости смеси P3HT:PCBM в различных растворителях. Определены растворители и смеси для подготовки стабильных дисперсий УНТ для аэрозольного нанесения на полимерный слой без его перерастворения с формированием прозрачных (более 75 %) проводящих слоев с сопротивлением менее 5 кОм/□ без легирования или процедур постобработки слоя. Для слоев УНТ на стеклянных подложках и подложках с полимерным слоем P3HT:PCBM с использованием электрических измерений, карт спектров комбинационного рассеяния света и атомно-силовой микроскопии измерены удельные сопротивления, неоднородность распределения УНТ, а также оценено количество остаточного растворителя. Расход УНТ для формирования слоя с сопротивлением 5 кОм/□ составляет от 31 до 146 мкг/см в зависимости от используемых растворителей. Установлено, что наиболее оптимальными с точки зрения однородности распределения УНТ на стекле и низкого содержания остаточного растворителя является диацетоновый спирт и его смесь с 1-гексанолом. Наименьшее сопротивление слоя УНТ на полимерном слое P3HT:PCBM при заданной прозрачности достигнуто при использовании смеси пропиленгликоля и PGMEA.
- Ключевые слова: углеродная нанотрубка, аэрозольное распыление, прозрачный проводящий слой, солнечный элемент, спектроскопия комбинационного рассеяния света, атомно-силовая микроскопия, остаточный растворитель
- Информация о финансировании: работа выполнена при финансовой поддержке гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых (грант № МК-1024.2020.8, соглашение № 075-15-2020-439)
- Опубликовано в разделе: Технологические процессы и маршруты
- Для цитирования: Ромашкин А. В., Поликарпов Ю. А., Левин Д. Д., Неволин В. К. Прозрачный проводящий электрод на основе углеродных нанотрубок, формируемый аэрозольным распылением на полимерном слое P3HT:PCBM // Изв. вузов. Электроника. 2022. Т. 27. № 2. С. 159–174. doi: https://doi.org/10.24151/1561-5405-2022-27-2-159-174
Ромашкин Алексей Валентинович
Национальный исследовательский университет «МИЭТ», г. Москва, Россия
Национальный исследовательский университет «МИЭТ», г. Москва, Россия
Поликарпов Юрий Александрович
Национальный исследовательский университет «МИЭТ»
Национальный исследовательский университет «МИЭТ»
Левин Денис Дмитриевич
Национальный исследовательский университет «МИЭТ»
Национальный исследовательский университет «МИЭТ»
Неволин Владимир Кириллович
Московский государственный институт электронной техники (технический университет)
Московский государственный институт электронной техники (технический университет)
1. Espinosa N., Garcia-Valverde R., Urbina A., Krebs F. C. A life cycle analysis of polymer solar cell modules prepared using roll-to-roll methods under ambient conditions // Sol. Energy Mater. Sol. Cells. 2011. Vol. 95. Iss. 5. P. 1293–1302. doi: https://doi.org/10.1016/j.solmat.2010.08.020
2. Meng L., You J., Yang Y. Addressing the stability issue of perovskite solar cells for commercial applications // Nat. Commun. 2018. Vol. 9. Art. No. 5265. doi: https://doi.org/10.1038/s41467-018-07255-1
3. Carbon-sandwiched perovskite solar cell / N. Ahn, I. Jeon, J. Yoon et al. // J. Mater. Chem. A. 2018. Vol. 6. Iss. 4. P. 1382–1389. doi: https://doi.org/10.1039/C7TA09174E
4. Ultrasound-spray deposition of multi-walled carbon nanotubes on NiO nanoparticles-embedded perovskite layers for high-performance carbon-based perovskite solar cells / Y. Yang, H. Chen, X. Zheng et al. // Nano Energy. 2017. Vol. 42. P. 322–333. doi: https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2017.11.003
5. Efficiently improving the stability of inverted perovskite solar cells by employing polye-thylenimine-modified carbon nanotubes as electrodes / Y. Zhou, X. Yin, Q. Luo et al. // ACS Applied Materials & Interfaces. 2018. Vol. 10. Iss. 37. P. 31384–31393. doi: https://doi.org/10.1021/acsami.8b10253
6. Fabrication of spray-coated semitransparent organic solar cells / M. H. Kang, D. K. Heo, D. H. Kim et al. // IEEE Journal of the Electron Devices Society. 2019. Vol. 7. P. 1129–1132. doi: https://doi.org/10.1109/JEDS.2019.2949685
7. Spray coating of the PCBM electron transport layer significantly improves the efficiency of p-i-n planar perovskite solar cells / Y. Zheng, J. Kong, D. Huang et al. // Nanoscale. 2018. Vol. 10. Iss. 24. P. 11342–11348. doi: https://doi.org/10.1039/C8NR01763H
8. A nonfullerene semitransparent tandem organic solar cell with 10.5 % power conversion efficiency / S. Chen, H. Yao, B. Hu et al. // Adv. Energy Mater. 2018. Vol. 8. Iss. 31. Art. No. 1800529. doi: https://doi.org/ 10.1002/aenm.201800529
9. Semitransparent organic solar cells enabled by a sequentially deposited bilayer structure / Y. Song, K. Zhang, S. Dong et al. // ACS Applied Materials & Interfaces. 2020. Vol. 12. Iss. 16. P. 18473–18481. doi: https://doi.org/10.1021/acsami.0c00396
10. High-performance solution-processed double-walled carbon nanotube transparent elec-trode for perovskite solar cells / I. Jeon, J. Yoon, U. Kim et al. // Adv. Energy Mater. 2019. Vol. 9. Iss. 27. Art. No. 1901204. doi: https://doi.org/10.1002/aenm.201901204
11. Azar N. S., Pourfath M. Aggregation kinetics and stability mechanisms of pristine and oxidized nanocarbons in polar solvents // J. Phys. Chem. C. 2016. Vol. 120. Iss. 30. P. 16804–16814. doi: https://doi.org/ 10.1021/acs.jpcc.6b05318
12. Efficiency enhancement of hybrid perovskite solar cells with MEH-PPV hole-transporting layers / H.-W. Chen, T.-Y. Huang, T.-H. Chang et al. // Scientific Reports. 2016. Vol. 6. No. 1. Art. No. 34319. doi: https://doi.org/10.1038/srep34319
13. Compact layer free perovskite solar cells with a high-mobility hole-transporting layer / Q. Zhu, X. Bao, J. Yu et al. // ACS Applied Materials & Interfaces. 2016. Vol. 8. Iss. 4. P. 2652–2657. doi: https://doi.org/ 10.1021/acsami.5b10555
14. Solubilization of carbon nanotubes with ethylene-vinyl acetate for solution-processed conductive films and charge extraction layers in perovskite solar cells / G. Mazzotta, M. Dollmann, S. N. Habisreutinger et al. // ACS Applied Materials & Interfaces. 2019. Vol. 11. Iss. 1. P. 1185–1191. doi: https://doi.org/10.1021/ acsami.8b15396
15. Scalable fabrication of perovskite solar cells / Z. Li, T. R. Klein, D. H. Kim et al. // Nat. Rev. Mater. 2018. Vol. 3. No. 4. Art. No. 18017. doi: https://doi.org/10.1038/natrevmats.2018.17
16. Effect of P3HT:PCBM concentration in solvent on performances of organic solar cells / W.-H. Baek, H. Yang, T.-S. Yoon et al. // Sol. Energy Mater. Sol. Cells. 2009. Vol. 93. Iss. 8. P. 1263–1267. doi: https://doi.org/10.1016/j.solmat.2009.01.019
17. Moulé A. J., Bonekamp J. B., Meerholz K. The effect of active layer thickness and composition on the performance of bulk-heterojunction solar cells // J. Appl. Phys. 2006. Vol. 100. Iss. 9. Art. No. 094503. doi: https://doi.org/10.1063/1.2360780
18. Polikarpov Y. A., Romashkin A. V., Struchkov N. S., Levin D. D. High uniform carbon nanotube thin films spray deposition on substrates with patterned structures having height differ-ence // 2019 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engi-neering (EIConRus). St. Petersburg; Moscow: IEEE, 2019. P. 1980–1985. doi: 10.1109/EIConRus.2019.8657225
19. Romashkin A. V., Polikarpov Yu. A., Alexandrov E. V., Nevolin V. K. Carbon nano-tubes and wolfram oxide nanoparticles spray coating on polymer photoactive layer // J. Phys. Conf. Ser. 2020. Vol. 1695. No. 1. Art. ID: 012086. doi: https://doi.org/10.1088/1742-6596/1695/1/012086
20. Classification of additives for organic photovoltaic devices / F. Machui, P. Maisch, I. Burgués-Ceballos et al. // ChemPhysChem. 2015. Vol. 16. Iss. 6. P. 1275–1280. doi: https://doi.org/10.1002/ cphc.201402734
21. Technological basis of the formation of micromesh transparent electrodes by means of a self-organized template and the study of their properties / A. S. Voronin, M. M. Simunin, Yu. V. Fadeev et al. // Tech. Phys. Lett. 2019. Vol. 45. Iss. 4. P. 366–369. doi: https://doi.org/10.1134/S1063785019040187
2. Meng L., You J., Yang Y. Addressing the stability issue of perovskite solar cells for commercial applications // Nat. Commun. 2018. Vol. 9. Art. No. 5265. doi: https://doi.org/10.1038/s41467-018-07255-1
3. Carbon-sandwiched perovskite solar cell / N. Ahn, I. Jeon, J. Yoon et al. // J. Mater. Chem. A. 2018. Vol. 6. Iss. 4. P. 1382–1389. doi: https://doi.org/10.1039/C7TA09174E
4. Ultrasound-spray deposition of multi-walled carbon nanotubes on NiO nanoparticles-embedded perovskite layers for high-performance carbon-based perovskite solar cells / Y. Yang, H. Chen, X. Zheng et al. // Nano Energy. 2017. Vol. 42. P. 322–333. doi: https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2017.11.003
5. Efficiently improving the stability of inverted perovskite solar cells by employing polye-thylenimine-modified carbon nanotubes as electrodes / Y. Zhou, X. Yin, Q. Luo et al. // ACS Applied Materials & Interfaces. 2018. Vol. 10. Iss. 37. P. 31384–31393. doi: https://doi.org/10.1021/acsami.8b10253
6. Fabrication of spray-coated semitransparent organic solar cells / M. H. Kang, D. K. Heo, D. H. Kim et al. // IEEE Journal of the Electron Devices Society. 2019. Vol. 7. P. 1129–1132. doi: https://doi.org/10.1109/JEDS.2019.2949685
7. Spray coating of the PCBM electron transport layer significantly improves the efficiency of p-i-n planar perovskite solar cells / Y. Zheng, J. Kong, D. Huang et al. // Nanoscale. 2018. Vol. 10. Iss. 24. P. 11342–11348. doi: https://doi.org/10.1039/C8NR01763H
8. A nonfullerene semitransparent tandem organic solar cell with 10.5 % power conversion efficiency / S. Chen, H. Yao, B. Hu et al. // Adv. Energy Mater. 2018. Vol. 8. Iss. 31. Art. No. 1800529. doi: https://doi.org/ 10.1002/aenm.201800529
9. Semitransparent organic solar cells enabled by a sequentially deposited bilayer structure / Y. Song, K. Zhang, S. Dong et al. // ACS Applied Materials & Interfaces. 2020. Vol. 12. Iss. 16. P. 18473–18481. doi: https://doi.org/10.1021/acsami.0c00396
10. High-performance solution-processed double-walled carbon nanotube transparent elec-trode for perovskite solar cells / I. Jeon, J. Yoon, U. Kim et al. // Adv. Energy Mater. 2019. Vol. 9. Iss. 27. Art. No. 1901204. doi: https://doi.org/10.1002/aenm.201901204
11. Azar N. S., Pourfath M. Aggregation kinetics and stability mechanisms of pristine and oxidized nanocarbons in polar solvents // J. Phys. Chem. C. 2016. Vol. 120. Iss. 30. P. 16804–16814. doi: https://doi.org/ 10.1021/acs.jpcc.6b05318
12. Efficiency enhancement of hybrid perovskite solar cells with MEH-PPV hole-transporting layers / H.-W. Chen, T.-Y. Huang, T.-H. Chang et al. // Scientific Reports. 2016. Vol. 6. No. 1. Art. No. 34319. doi: https://doi.org/10.1038/srep34319
13. Compact layer free perovskite solar cells with a high-mobility hole-transporting layer / Q. Zhu, X. Bao, J. Yu et al. // ACS Applied Materials & Interfaces. 2016. Vol. 8. Iss. 4. P. 2652–2657. doi: https://doi.org/ 10.1021/acsami.5b10555
14. Solubilization of carbon nanotubes with ethylene-vinyl acetate for solution-processed conductive films and charge extraction layers in perovskite solar cells / G. Mazzotta, M. Dollmann, S. N. Habisreutinger et al. // ACS Applied Materials & Interfaces. 2019. Vol. 11. Iss. 1. P. 1185–1191. doi: https://doi.org/10.1021/ acsami.8b15396
15. Scalable fabrication of perovskite solar cells / Z. Li, T. R. Klein, D. H. Kim et al. // Nat. Rev. Mater. 2018. Vol. 3. No. 4. Art. No. 18017. doi: https://doi.org/10.1038/natrevmats.2018.17
16. Effect of P3HT:PCBM concentration in solvent on performances of organic solar cells / W.-H. Baek, H. Yang, T.-S. Yoon et al. // Sol. Energy Mater. Sol. Cells. 2009. Vol. 93. Iss. 8. P. 1263–1267. doi: https://doi.org/10.1016/j.solmat.2009.01.019
17. Moulé A. J., Bonekamp J. B., Meerholz K. The effect of active layer thickness and composition on the performance of bulk-heterojunction solar cells // J. Appl. Phys. 2006. Vol. 100. Iss. 9. Art. No. 094503. doi: https://doi.org/10.1063/1.2360780
18. Polikarpov Y. A., Romashkin A. V., Struchkov N. S., Levin D. D. High uniform carbon nanotube thin films spray deposition on substrates with patterned structures having height differ-ence // 2019 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engi-neering (EIConRus). St. Petersburg; Moscow: IEEE, 2019. P. 1980–1985. doi: 10.1109/EIConRus.2019.8657225
19. Romashkin A. V., Polikarpov Yu. A., Alexandrov E. V., Nevolin V. K. Carbon nano-tubes and wolfram oxide nanoparticles spray coating on polymer photoactive layer // J. Phys. Conf. Ser. 2020. Vol. 1695. No. 1. Art. ID: 012086. doi: https://doi.org/10.1088/1742-6596/1695/1/012086
20. Classification of additives for organic photovoltaic devices / F. Machui, P. Maisch, I. Burgués-Ceballos et al. // ChemPhysChem. 2015. Vol. 16. Iss. 6. P. 1275–1280. doi: https://doi.org/10.1002/ cphc.201402734
21. Technological basis of the formation of micromesh transparent electrodes by means of a self-organized template and the study of their properties / A. S. Voronin, M. M. Simunin, Yu. V. Fadeev et al. // Tech. Phys. Lett. 2019. Vol. 45. Iss. 4. P. 366–369. doi: https://doi.org/10.1134/S1063785019040187
Поделиться