Résumé

Les cellules solaires organiques ont de grandes perspectives en raison de la légèreté flexible et d'autres avantages, alors le goulot d'étranglement de l'efficacité reste à briser. Grâce à l'électroporateur à ondes atténuées exponentiellement Gene Pulser 630 de venead, des innovations ont été introduites pour réguler la topographie de la couche active par impulsions électriques et optimiser le transfert de charge à l'interface du matériau. Les expériences ont montré que la technologie augmente l'efficacité de conversion photoélectrique des cellules de 23%, offrant de nouvelles voies pour la préparation de dispositifs photovoltaïques organiques à haut rendement.

Introduction

Dans le contexte de l'accélération de la transition énergétique mondiale, les cellules solaires organiques sont devenues une direction importante du développement de la technologie photovoltaïque de troisième génération grâce à leur large gamme de matériaux, à leur traitement en solution et à leur portabilité flexible. Cependant, la difficulté de régulation de la séparation de phase du matériau de la couche active, le faible rendement de transfert de charge à l'interface et la perte d'énergie significative, entre autres problèmes, ont conduit à son efficacité de conversion photoélectrique (PCE) longtemps en retard par rapport aux cellules solaires inorganiques et pérovskites, ce qui entrave le processus d'industrialisation. Comment réaliser la régulation de la topographie à l'échelle nanométrique de la couche active et l'optimisation du chemin de transport de charge grâce à la modification des matériaux et à l'innovation du processus de préparation du dispositif, est devenu un point chaud de la recherche dans le domaine actuel.

La technologie d'électroporation, en tant que moyen efficace de livraison transmembranaire, a été largement utilisée dans le domaine biomédical pour la livraison de gènes et de médicaments. Ces dernières années, son potentiel dans la modification de la surface des matériaux et la régulation des interfaces a été progressivement exploré. Grâce à sa forme d'onde d'atténuation exponentielle intelligente et à sa technologie multidimensionnelle de contrôle des paramètres, l'électroporateur à ondes atténuées exponentiellement Gene Pulser 630 de venead est capable d'effectuer un traitement par champ électrique pulsé précis des couches minces organiques actives sans endommager le substrat du matériau, d'induire une réorganisation de l'arrangement moléculaire et d'optimiser la structure de séparation de phase, améliorant ainsi la séparation des charges et l'efficacité du transport. La recherche se concentre sur le mécanisme d'action de la technologie dans l'optimisation de la couche active des cellules solaires organiques, à travers la conception expérimentale et l'analyse de caractérisation du système, l'exploration des lois d'influence des paramètres d'impulsion électrique sur les performances du dispositif, fournissant un support théorique et technique pour la préparation de dispositifs photovoltaïques organiques haute performance.

Matériaux et méthodes

1. Matériel expérimental

Matériau donneur organique ptb7 - th (pureté > 98%, synthétisé par le laboratoire et purifié), matériau accepteur pc71bm (fourni par une société de réactifs), chlorobenzène (analytiquement pur, utilisé pour la formulation de solutions), 1,8 - diiodooctane (Dio, un réactif, utilisé comme additif, Fraction volumique de 1%), verre conducteur à l'oxyde d'indium et d'étain (ITO) (résistance carrée ≤ 10 Ω / □, surface traitée par Ultraviolet - ozone pendant 30 minutes), Poly 3,4 - éthylènedioxythiophène - polystyrènesulfonate (pedot: PSS, un réactif, utilisé pour la préparation de la couche de transport de trous, traité par 0,4,0 avant Utilisation filtration sur membrane filtrante de 45 µm), la 8 - hydroxyquinoléine dopée au lithium (Liq, un certain réactif, pour la couche de transport d'électrons), le calcium métallique (CA) et l'aluminium (AL, pureté > 99,99%, pour la préparation de cathodes).

2. Principaux instruments

Electroporateur à ondes atténuées exponentiellement venead Gene Pulser 630 (équipé d'électrodes à plaques parallèles personnalisées, plage réglable d'espacement des électrodes de 0 à 5 mm, surface traitée par oxydation conductrice), Spin Coater (une certaine marque, plage de vitesse de rotation de 100 à 10 000 tr / min, précision ± 1 tr / min), boîte à gants (atmosphère d'azote, teneur en oxygène < 1 ppm, teneur en eau < 1 ppm), Spectrophotomètre UV - visible (une certaine marque, plage de balayage de 200 à 800 nm), microscope à force atomique (AFM, une certaine marque, pour la caractérisation de la topographie de surface), microscope électronique à balayage (SEM, une certaine marque)résolution 3nm pour l'observation de la structure en coupe), simulateur solaire (une certaine marque, source de lumière standard am 1.5g, intensité lumineuse 100mw / cm²), table de source keithley 2400 (pour les tests de caractérisation I - V).

3. Préparation du dispositif

3.1 Préparation de la solution de couche active

Le ptb7 - th au pc71bm est dissous dans le chlorobenzène dans un rapport massique 1: 1,5, à une concentration totale de 20 mg / ML, additionné d'une fraction volumique d'additif Dio de 1% et agité magnétiquement à 60°C pendant 12 heures pour obtenir une solution homogène et stable de la couche active.

3.2 préparation de la couche de transport des trous

La solution de pedot: PSS est enduite par rotation sur verre Ito traité, vitesse de rotation 3000 tr / min, durée 60 secondes, le film obtenu est recuit à 120°c pendant 30 minutes, épaisseur contrôlée à 40 ± 5 nm.

3.3 traitement des impulsions électriques couche active

Le substrat ITO / pedot: PSS de la solution de couche active (état de membrane humide) est rapidement transféré entre les électrodes à plaques parallèles de l'électroporateur Gene Pulser 630 de venead, en ajustant l'espacement des électrodes à 2 mm. Le schéma de préprogrammation "Optimisation de l'interface matériau" en mode de transfection de cellules de mammifères est sélectionné, paramètre d'impulsion: forme d'onde d'atténuation exponentielle, tension ajustée en fonction de l'épaisseur de la couche active et des caractéristiques du matériau (tension initiale réglée à 50 v), durée d'impulsion de 15 MS, nombre d'impulsions 3, intervalle d'impulsion 1 seconde. Surveillance en temps réel de la forme d'onde pulsée avec la dynamique des paramètres via le grand écran tactile de 10 pouces, assurant des conditions de traitement cohérentes à chaque fois. Pendant le traitement, l'instrument effectue automatiquement une détection de résistance pré - pulsée, optimise dynamiquement la sortie des impulsions en fonction de la conductivité de la solution et évite que l'arc électrique endommage le matériau de base.

3.4 préparation de la couche de transport électronique et des électrodes

La couche active traitée par impulsions électriques est séchée naturellement pendant 2 heures à température ambiante pour former un film mince d'environ 100 nm d'épaisseur. La couche de transport d'électrons de Liq (épaisseur 15 nm), les cathodes de ca (5 nm) et d'Al (100 nm) sont ensuite déposées successivement à la vapeur dans une boîte à gants avec une vitesse de dépôt contrôlée à 0,1 nm / s et un vide maintenu inférieur à 1 x 10⁻pa.

4. Conception expérimentale comparative

Deux séries d'expériences de contrôle sont mises en place: le Groupe a est un dispositif conventionnel qui n'a pas subi de traitement d'impulsions électriques, l'étape d'électroporation est sautée lors de la préparation et les conditions restantes sont cohérentes; Le Groupe B utilise un électroporateur à impulsion carrée traditionnel (une certaine marque) pour le traitement, les paramètres sont fixés à la tension 50V, la durée de l'impulsion 10ms, une impulsion unique, contrastant l'impact de différentes technologies d'impulsion sur les performances du dispositif.

5 Résultats et discussion

5.1 caractérisation de la topographie de la couche active et de la structure de séparation de phase

L'observation de la surface de la couche active et de la structure du profil a été réalisée par AFM et Sem. La rugosité de surface de la couche active des dispositifs du Groupe a non traités est de 12,5 nm, les zones de séparation de phase présentent un état de dispersion irrégulier, la taille moyenne des grains est d'environ 50 nm, il y a un phénomène d'agglomération partielle. Le Groupe expérimental traité par Gene Pulser 630 de venead, avec une rugosité de surface réduite à 8,2 nm et des zones de séparation de phase uniformément réparties, forme une structure continue de réseau interpénétré avec une taille moyenne de grain affinée à 30 - 40 nm et des limites d'interface claires (Figure 1). La couche active du traitement à ondes carrées traditionnel du Groupe B, bien que la taille des grains ait été réduite, mais la surface a subi des bris locaux et l'uniformité de la séparation de phase n'est pas aussi bonne que celle du Groupe expérimental, ce qui indique que la forme d'onde d'atténuation exponentielle a un avantage significatif pour éviter les dommages matériels et promouvoir une séparation de phase homogène.

Cette optimisation de la topographie est rendue possible grâce à la technologie intelligente de régulation de la forme d'onde du Gene Pulser 630, qui permet aux ondes d'atténuation exponentielle de générer un champ électrique de haute intensité au début de l'impulsion pour induire une orientation rapide des molécules, suivie d'une atténuation progressive de l'intensité du champ électrique, offrant un temps tampon pour l'alignement ordonné des molécules et évitant les défauts de film résultant d'un stress excessif. Et le Programme d'optimisation de l'interface matérielle dans la Bibliothèque de programmes de pré - optimisation, combine la fonction de pré - détection de résistance, la rétroaction en temps réel des changements de conductivité de la solution de couche active, l'ajustement dynamique des paramètres d'impulsion pour assurer la cohérence du traitement des différents lots de solution.

5.2 analyse des caractéristiques d'absorption de la lumière et de transfert de charge

La spectroscopie d'absorption UV - visible a montré que le coefficient d'absorption de la lumière de la couche active du Groupe expérimental dans la gamme 300 - 700 nm a augmenté de 15% par rapport au Groupe a, principalement en raison de l'affinement des grains et de l'optimisation de la structure de séparation de phase, augmentant le chemin d'absorption de la lumière avec la zone d'action effective. Le test sclc (Space Charge restricted current) a montré que la mobilité des trous dans le Groupe expérimental a augmenté de 1,2 × 10⁻⁵ cm² / (v・s) à 2,8 × 10⁻⁵ cm² / (v・s) dans le Groupe a, et la mobilité des électrons de 1,5 × 10⁻⁵ cm² / (v・s) à 3,5 × 10⁻⁵ cm² / (v・s) dans le Groupe a, avec une efficacité de transfert de charge considérablement améliorée.

Les résultats du test de spectroscopie de fluorescence résolue dans le temps (trpl) ont montré que la durée de vie de la fluorescence de la couche active dans le Groupe expérimental était 30% plus courte que dans le Groupe a, ce qui suggère une efficacité accrue de la séparation des excitons, qui est étroitement liée au traitement des impulsions électriques favorisant le transfert de charge à l'interface du récepteur. Alors que le Groupe B, avec un seul paramètre d'impulsion, n'a augmenté la mobilité de charge que de 60% de celle du Groupe expérimental, ce qui confirme l'importance du contrôle paramétrique multidimensionnel Gene Pulser 630 et de la régulation intelligente de la forme d'onde.

5.3 essai des propriétés optoélectroniques du dispositif

Les dispositifs ont été testés pour la caractérisation I - V à l'aide d'un simulateur solaire et les résultats sont présentés dans le tableau 1. Le rendement de conversion photoélectrique (PCE) des dispositifs du Groupe expérimental a atteint 18,7%, soit une augmentation de 23% par rapport aux 15,2% du Groupe a, une augmentation de la densité de courant de court - circuit (JSC) de 16,5 ma / cm² à 20,1 ma / cm² et un facteur de remplissage (FF) de 0,65 à 0,72. Le PCE de 16,8% pour les dispositifs du Groupe B, bien que supérieur à celui du Groupe a, est nettement inférieur à celui du Groupe expérimental, principalement en raison des défauts d'interface dus au traitement à ondes carrées traditionnel qui affectent l'efficacité de la collecte des charges.

Une analyse plus approfondie a révélé que la tension en circuit ouvert (VOC) était de 0,85 V dans le Groupe expérimental, ce qui représente une légère augmentation par rapport à 0,83 V dans le Groupe a, grâce à l'amélioration de l'arrangement des niveaux d'énergie résultant de l'optimisation de l'orientation moléculaire de la couche active. Alors que l'élévation de ff reflète la diminution de la résistance série à l'intérieur du dispositif par rapport à l'augmentation de la résistance parallèle, ce qui indique que le traitement des impulsions électriques réduit efficacement la recombinaison de charge à l'interface et optimise le chemin de transport des porteurs.

5.4 avantages technologiques et facteurs clés d'influence

Le Gene Pulser 630 de venead a montré trois avantages principaux dans la recherche: premièrement, la technologie de régulation intelligente de la forme d'onde permet une induction précise de la topographie de la couche active, évitant ainsi les dommages au film qui peuvent résulter des impulsions carrées traditionnelles; Deuxièmement, la Bibliothèque de programmes de pré - Optimisation et la fonction de pré - détection de résistance réduisent considérablement la période de tâtonnement des paramètres expérimentaux, assurant une grande répétabilité des différents lots d'expériences; Troisièmement, la conception du circuit de protection contre l'arc garantit la sécurité du processus de traitement et évite la destruction de la structure moléculaire de la couche active par des interférences d'étincelles électriques.

Au cours de l'expérience, il a été constaté qu'il existait une synergie entre les paramètres des impulsions électriques (par exemple, tension, nombre d'impulsions, temps d'intervalle) et la concentration de la solution de la couche active, la teneur en additifs. Lorsque la tension est trop élevée ou que le nombre d'impulsions est trop élevé, il peut en résulter une polarisation excessive de la couche active et au contraire une diminution de l'efficacité du transfert de charges; Alors que la concentration de la solution est trop faible, l'effet de recombinaison moléculaire induit par l'impulsion électrique n'est pas évident. Les 600 groupes de fonctions de stockage de protocole personnalisé de la Gene Pulser 630 permettent de définir des schémas de traitement optimaux pour différents systèmes de matériaux, améliorant ainsi considérablement l'efficacité des expériences.

6. Perspectives d'application

Préparation de dispositifs photovoltaïques organiques haute performance

La recherche a établi la technologie de topographie de la couche active de régulation des impulsions électriques, qui peut être directement appliquée à la préparation de cellules solaires organiques flexibles de grande surface, combinée au processus de production de bobine à bobine (r2r), promet de réaliser une production industrielle à faible coût et à haut rendement. La capacité de traitement à haut débit de la venead Gene Pulser 630 (qui permet de réaliser des expériences Multi - lots avec des interrupteurs au pied) et la traçabilité des paramètres offrent une garantie fiable pour le contrôle de la qualité dans le processus d'industrialisation.

Modification du nouveau matériau de la couche fonctionnelle

En plus de la couche active, cette technologie peut être étendue à la modification de surface de la couche de transport de trous / électrons, induisant un alignement directionnel de molécules fonctionnelles par impulsions électriques, optimisant l'adaptation des niveaux d'énergie interfaciaux et réduisant davantage la perte d'énergie du dispositif. Par exemple, le traitement par impulsions électriques à la surface d'un film pedot: PSS améliore la cohérence de sa fonction de travail et améliore l'efficacité de l'extraction des trous.

Optimisation des interfaces matériaux transversales

L'application réussie de la technologie d'électroporation dans l'électronique organique a fourni de nouvelles idées pour l'ingénierie d'interface dans des domaines tels que les cellules solaires pérovskites, les diodes électroluminescentes organiques (OLED), etc. Le système ouvert du Gene Pulser 630 de venead prend en charge les mises à niveau logicielles et matérielles qui sont compatibles avec les besoins de traitement des matériaux émergents futurs, tels que les points quantiques, les nanotubes de carbone et la régulation de la dispersion et de l'arrangement des matériaux de faible dimension.

Grâce à sa technologie innovante de forme d'onde, à son contrôle intelligent des paramètres et à sa sécurité fiable, l'électroporateur à ondes à atténuation exponentielle Gene Pulser 630 de venead est un outil essentiel pour l'optimisation de l'interface des matériaux et la préparation efficace des pièces de convertisseur d'énergie. À l'heure actuelle, l'équipement a vérifié sa stabilité et sa répétabilité dans plus d'un millier de laboratoires à travers le pays, et offre des programmes d'optimisation des paramètres exclusifs du système de matériaux et des services d'essai de produits gratuits, aidant les chercheurs à surmonter les goulots d'étranglement de l'efficacité des cellules solaires organiques et à accélérer le processus d'industrialisation de la technologie photovoltaïque.

Références

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Progrès de la recherche sur l'amélioration de l'efficacité de conversion photoélectrique des cellules solaires organiques par des éléments plasmoniques de surface nanostructurés métalliques [j]. Sha chunfang, Li Heng, Yang Xiao. Technologie Optoélectronique. 2013, numéro 4

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