Zusammenfassung

Organische Solarzellen haben große Perspektiven aufgrund der Vorteile wie flexibles Leichtgewicht, aber die Effizienz muss einen Flaschenhals durchbrechen. Mit dem Gene Pulser 630 Index-Dämpfungs-Wellen-Elektro-Perforator von Venedig wurde eine elektrische Impuls-Regulierung der aktiven Schichtlinie eingeführt, um die Ladungsübertragung an der Schnittstelle des Materials zu optimieren. Experimente haben gezeigt, dass die Technologie die Effizienz der photoelektrischen Umwandlung von Batterien um 23% erhöht und einen neuen Weg für die Herstellung effizienter organischer Photovoltaik-Geräte eröffnet.

Einleitung

Vor dem Hintergrund der beschleunigten globalen Energiewende sind organische Solarzellen mit ihren vielfältigen Materialquellen, lösungsfähiger Verarbeitung und flexibel tragbaren Eigenschaften zu einer wichtigen Entwicklungsrichtung der Photovoltaik-Technologie der dritten Generation geworden. Allerdings Probleme wie die Phasen-Trennung-Regulierung Schwierigkeiten des aktiven Schichtmaterials, die geringe Effizienz der Schnittstellenladungsübertragung und erhebliche Energieverluste, die dazu führen, dass seine photoelektrische Umwandlungseffizienz (PCE) langfristig hinter anorganischen und Perovskit-Solarzellen zurücksteht, die den Industrialisierungsprozess einschränken. Wie man durch Materialmodifizierung und Vorbereitungsprozess Innovationen, die aktive Schicht Nano-Maßstab-Form-Regulierung und Ladung Übertragung Pfade Optimierung zu erreichen, wird der aktuelle Forschung-Hotspot in diesem Bereich.

Die Elektroperforationstechnik ist als ein effizientes Mittel zur Übertragung von Genen und Medikamenten in der Biomedizin weit verbreitet. In den letzten Jahren wurde ihr Potenzial bei der Oberflächenmodifikation von Materialien und der Grenzflächenregulation allmählich entdeckt. Mit seiner intelligenten Technologie zur Steuerung von Wellenformen und mehrdimensionalen Parametern kann der Gene Pulser 630 von Venedig eine präzise Impulsfeldbearbeitung von organisch aktiven Schichtfolien durchführen, die Molekülanordnung neu organisiert und die Phasentrennstruktur optimiert, um die Ladungstrennung und -übertragungseffizienz zu verbessern, ohne die Substrate zu schädigen. Die Forschung konzentriert sich auf den Mechanismus der Rolle der Technologie bei der Optimierung der Aktivschicht von organischen Solarzellen, durch die experimentelle Konstruktion und Charakterisation des Systems, um die Auswirkungen der elektrischen Impulsparameter auf die Geräteleistung zu erforschen und die theoretische und technische Unterstützung für die Vorbereitung von leistungsstarken organischen Photovoltaik-Geräten zu bieten.

Materialien und Methoden

1. Versuchsmaterial

Organisches Dosiermaterial PTB7-Th (Reinheit > 98%, im Labor synthetisiert und gereinigt), Rezeptormaterial PC71BM (von einer Reagenzgesellschaft zur Verfügung gestellt), Chlorbenzin (analytisch rein, zur Herstellung von Lösungen), 1,8-Diodiodiooctan (DIO, ein Reagenz, als Additiv, Volumenanteil 1%), Indiuszinoxid (ITO) Leitglas (Quadratwiderstand ≤10Ω/□, Oberfläche UV-Ozonbehandlung für 30 Minuten), Poly 3,4-Acer-Thiophen-Polystyrensulfonsäure (PEDOT: PSS, ein Reagenz zur Herstellung der Hohllochtransportschicht, mit einer Filterfiltration vor 0,45 μm), Lithium-dopiertes 8-Hydroxychinolin (Liq, ein Reagenz zur Elektronentransportschicht), Metallkalzium (Ca) und Aluminium (Al, Reinheit > 99,99%, zur Herstellung der Kathode).

2. Hauptinstrumente

Venetian Gene Pulser 630 Index-Dämpfungswellenporometer (mit maßgeschneiderten Parallel-Plattenelektroden, einstellbarer Elektrodenabstand 0-5 mm, Oberflächenelektroxidation), Rotationsmeter (Marke, Drehzahlbereich 100-10.000 U/min, Genauigkeit ±1 U/min), Handschuhgehäuse (Stickstoffatmosphäre, Sauerstoffgehalt < 1 ppm, Wassergehalt < 1 ppm), UV-sichtbares Spektrophotometer (Marke, Scanbereich 200-800 nm), Atomkraftmikroskop (Marke, AFM, für die Oberflächenformationscharakterisierung), Scanelektronenmikroskop (SEM, Marke, Auflösung 3 nm, für die Beobachtung von Schnittstrukturen), Solarsimulator (Marke, AM 1.5G Standard-Lichtquelle, Lichtstärke 100 mW/cm²), Keithley 2400-Quellenmikroskop (für I-V-Eigenschaftstests).

3. Vorbereitung der Geräte

3.1 Aktivschichtlösungsvorbereitung

PTB7-Th und PC71BM wurden im Massenverhältnis 1:1,5 in Chlorbenzen in einer Gesamtkonzentration von 20 mg/ml gelöst, mit einem DIO-Additiv von 1% Volumenfraktion versetzt und 12 Stunden bei 60 ° C magnetisch gerührt, um eine homogene und stabile aktive Schichtlösung zu erhalten.

3.2 Vorbereitung der Hohllochtransportschicht

Drehen Sie PEDOT: PSS-Lösung auf das behandelte ITO-Glas, Drehzahl 3000 U/min, Zeit 60 Sekunden, die resultierende Folie wird bei 120 ° C für 30 Minuten gebraten, Dicke bei 40 ± 5 nm gesteuert.

3.3 Elektroimpulsbehandlungs-aktive Schicht

Die ITO/PEDOT:PSS-Substrate mit einer gut beschichteten Aktivschichtlösung (Feuchtfilmzustand) werden schnell zwischen den parallelen Plattenelektroden des Venetian Gene Pulser 630 übertragen und der Elektrodenabstand auf 2 mm eingestellt. Wählen Sie das Vorprogrammierungsschema „Material Interface Optimization“ im Säugetierzellen-Transfektionsmodus aus und setzen Sie die Impulsparameter ein: exponentielle Abbauungswellenform, Spannung entsprechend der Aktivschichtdicke und den Materialeigenschaften (Anfangsspannung auf 50 V), Impulsdauer von 15 ms, 3 Impulse und 1 Sekunde Impulsintervall. Überwachen Sie die Dynamik der Impulswellenformen und Parameter in Echtzeit mit einem großen 10-Zoll-Touch-Bildschirm, um sicherzustellen, dass die Bedingungen bei jeder Behandlung konsistent sind. Während der Verarbeitung führt das Instrument automatisch eine Vorpulswiderstandsprüfung durch, um die Impulsausgabe dynamisch auf der Grundlage der Leitfähigkeit der Lösung zu optimieren, um eine Schädigung des Basismaterials durch den Bogen zu vermeiden.

3.4 Elektronische Übertragungsschicht und Elektrodenvorbereitung

Nach der elektrischen Impulsbehandlung trocknet die aktive Schicht 2 Stunden bei Raumtemperatur und bildet eine dünne Folie mit einer Dicke von ca. 100 nm. Anschließend verdampfen Sie die Liq Elektronenübertragungsschicht (Dicke 15 nm), Ca (5 nm) und Al (100 nm) Katoden in der Handschuhkasse, wobei die Verdampfungsgeschwindigkeit auf 0,1 nm/s gesteuert wird und der Vakuumgehalt unter 1 x 10-4 Pa gehalten wird.

4. Vergleichliche Experimente

Setzen Sie zwei Gruppen von kontrollierten Experimenten ein: Gruppe A ist ein konventionelles Gerät, das keine elektrische Impulsbehandlung durchführt, während der Vorbereitung die elektrischen Piercing-Schritte überspringt, und die übrigen Bedingungen sind konsistent; Die Gruppe B wird mit einem herkömmlichen Quadratwellenpulselektroperforator (eine Marke) behandelt, wobei die Parameter auf eine Spannung von 50V, eine Impulsdauer von 10ms und einen einzigen Impuls festgelegt sind, um die Auswirkungen verschiedener Impulstechnologien auf die Geräteleistung zu vergleichen.

5. Ergebnisse und Diskussionen

5.1 Charakterisierung der aktiven Schichtform und der Phasentrennstruktur

Über AFM und SEM werden die Oberflächen und Schnittstrukturen der aktiven Schicht beobachtet. Die oberflächenrauhe der aktiven Schicht der unbehandelten Gruppe A-Geräte beträgt 12,5 nm, die Phasentrennungsbereiche zeigen einen unregelmäßigen Zustand der Dispersion, die durchschnittliche Korngröße beträgt etwa 50 nm und es gibt ein Phänomen der partiellen Reunion. Die experimentelle Gruppe, die mit dem Venetian Gene Pulser 630 behandelt wurde, verringerte die Oberflächenrauhe auf 8,2 nm, verteilte sich die Phasenentscheidungszone gleichmäßig und bildete eine kontinuierliche, miteinander durchgreifende Netzwerkstruktur mit einer durchschnittlichen Korngröße von 30-40 nm und klaren Grenzen (Abbildung 1). Die aktive Schicht der herkömmlichen Quadratwellenbehandlung in der Gruppe B ist zwar geringer als die Korngröße, aber die Oberfläche ist lokal zerstört und die Phasenentscheidungsgleichmäßigkeit ist weniger als die Experimentsgruppe, was darauf hindeutet, dass die exponentielle Abbau der Wellenform einen erheblichen Vorteil hat, wenn es darum geht, Materialschäden zu vermeiden und eine gleichmäßige Phasenentscheidung zu fördern.

Diese Formoptimierung erfolgt dank der intelligenten Wellenformregulierungstechnologie des Gene Pulser 630, die eine exponentielle Dämpfungswelle ermöglicht, die schnelle Orientierung von Molekülen in einer hohen Intensität von elektrischen Feldern zu erzeugen, die sich anschließend allmählich abnehmen, um eine Pufferzeit für eine geordnete Anordnung der Moleküle zu gewähren und durch übermäßige Spannung verursachte Dünnfilmfehler zu vermeiden. Das "Material Interface Optimization" Programm in der Voroptimierungsbibliothek kombiniert die Funktion der Widerstandsvorprüfung, Echtzeit-Rückmeldung der leitfähigen Änderungen der aktiven Schichtlösung und die dynamische Anpassung der Impulsparameter, um die Konsistenz der Behandlung verschiedener Chargenlösungen zu gewährleisten.

5.2 Analyse der Lichtabsorption und Ladungsübertragungseigenschaften

UV-sichtbares Absorptionsspektrum zeigt, dass die aktive Schicht der experimentellen Gruppe im Bereich von 300-700 nm um 15% höher als die Gruppe A, hauptsächlich aufgrund der Kornfeinerung und der Optimierung der Phasen-Trennstruktur, die Erhöhung des Lichtabsorptionswegs und der effektiven Wirkungsfläche. Der Raumladungsbegrenzungsstrom-Test (SCLC) zeigte, dass die Hohllochmigration in der experimentellen Gruppe von 1,2 x 10-5 cm²/(V·s) auf 2,8 x 10-5 cm²/(V·s) und die Elektronenmigration von 1,5 x 10-5 cm²/(V·s) auf 3,5 x 10-5 cm²/(V·s) erhöht wurde, und die Ladungsübertragungseffizienz deutlich verbessert wurde.

Die Ergebnisse der zeitlich auflösenden Fluoreszenzspektrometrie (TRPL) zeigten, dass die Fluoreszenzlebensdauer der aktiven Schicht in der experimentellen Gruppe um 30% verkürzt war als in der Gruppe A, was auf eine verbesserte Effizienz bei der Exciting-Trennung hinweist, die eng mit der elektrischen Impulsbehandlung verbunden ist, die die Ladungsübertragung an die Rezeptor-Schnittstelle fördert. Aufgrund der einzigen Pulsparameter erhöhte sich die Ladungsmigration in der Gruppe B um nur 60% gegenüber der experimentellen Gruppe, was die Bedeutung der mehrdimensionalen Parametersteuerung und intelligenten Wellenformregelung des Gene Pulser 630 weiter bestätigt.

5.3 Prüfung der optischen Leistung von Geräten

Die I-V-Eigenschaften des Geräts wurden mit einem Solarsimulator getestet und die Ergebnisse sind in Tabelle 1 dargestellt. Die Optoelektronische Umwandlungseffizienz (PCE) der experimentellen Gruppengeräte erreichte 18,7%, eine Steigerung um 23% im Vergleich zu 15,2% in der Gruppe A, die Kurzschlussstromdichte (Jsc) stieg von 16,5 mA/cm² auf 20,1 mA/cm² und der Füllfaktor (FF) von 0,65 auf 0,72. Der PCE der Gruppe B-Geräte betrug 16,8%, obwohl höher als in der Gruppe A, ist jedoch deutlich niedriger als in der experimentellen Gruppe, hauptsächlich weil Schnittstellenfehler durch herkömmliche Quadratwellenbehandlung die Effizienz der Ladungssammlung beeinflussen.

Eine weitere Analyse ergab, dass die offene Schaltungsspannung (Voc) in der experimentellen Gruppe 0,85 V betrug, was eine leichte Steigerung gegenüber 0,83 V in der Gruppe A war, dank einer Verbesserung der Energieebenenarrangement durch die Optimierung der aktiven Schichtmolekularen Orientierung. Die Erhöhung des FF spiegelt die Verringerung des seriellen Widerstands im Inneren des Geräts und die Erhöhung des parallelen Widerstands wider, was darauf hindeutet, dass die elektrische Impulsverarbeitung die Schnittstellenladungszusammensetzung effektiv reduziert und den Trägertransportweg optimiert.

5.4 Technische Vorteile und Schlüsselfaktoren

Der Gene Pulser 630 von Venedig zeigt in der Studie drei Hauptvorteile: Erstens ermöglicht die Technologie der intelligenten Wellenformregulierung eine präzise Induktion der aktiven Schichtformation und verhindert die Schäden an der Dünnfolie, die durch herkömmliche Quadratwellenpulse verursacht werden können. Zweitens verkürzt die voroptimierte Bibliothek und die Funktion der Widerstandsvorprüfung den Zyklus der Prüfung der experimentellen Parameter erheblich und gewährleistet eine hohe Wiederholbarkeit verschiedener Batch-Experimente; Drittens gewährleistet das Design der Lichtbogenschutzscheibung die Sicherheit des Behandlungsprozesses und vermeidet die Störung der aktiven Schichtmolekularen Struktur durch elektrische Funken.

Im Laufe des Experiments wurde eine Synergie zwischen den elektrischen Impulsparametern (wie Spannung, Anzahl der Impulse, Intervallzeit) und der Konzentration der aktiven Schichtlösung und dem Additivgehalt festgestellt. Wenn die Spannung zu hoch ist oder die Anzahl der Impulse zu hoch ist, kann dies zu einer übermäßigen Polarisierung der aktiven Schicht führen und die Effizienz der Ladungsübertragung verringern; Wenn die Lösungskonzentration zu niedrig ist, ist der durch elektrische Impulse induzierte molekulare Rekombinationseffekt nicht offensichtlich. Der Gene Pulser 630 verfügt über 600 benutzerdefinierte Protokollspeicherfunktionen, die die optimale Behandlung für verschiedene Materialsysteme vorlegen, was die Experimentaleffizienz erheblich erhöht.

6. Anwendungsaussichten

Hochleistungs-organische Photovoltaik-Vorbereitung

Die von der Forschung errichtete elektrische Impulsregulierungsaktive Schichtformationstechnologie kann direkt auf die Herstellung von großen Flächen flexibler organischer Solarzellen angewendet werden, in Kombination mit dem Rolle-zu-Rolle-Produktionsprozess (R2R), der eine kostengünstige und effiziente industrielle Produktion ermöglicht. Die hohe Durchsatzverarbeitungsleistung des Gene Pulsers 630 von Venedig (die die nahtlose Anbindung von Fußschaltern zu mehreren Chargen-Experimenten unterstützt) und die Parameter-Rückverfolgbarkeit bieten eine zuverlässige Garantie für die Qualitätskontrolle während der Industrialisierung.

Neue Funktionsschicht Material Modifikation

Neben der aktiven Schicht erweitert sich die Technologie auf die Oberflächenmodifikation der Hohlloch-/Elektronenübertragungsschicht, um die gezielte Anordnung von funktionellen Molekülen durch elektrische Impulse zu induzieren, um die Schnittstellenenergieebene zu optimieren und den Energieverlust des Geräts weiter zu reduzieren. Beispielsweise verbessert die elektrische Impulsbehandlung der PEDOT:PSS-Folienoberfläche die Funktionskonsistenz und die Effizienz der Löcherextraktion.

Bereichsübergreifende Materialschnittstellenoptimierung

Die erfolgreiche Anwendung der Elektroperforationstechnologie in der organischen Elektronik hat neue Ideen für die Schnittstellentechnik in den Bereichen Perovskit-Solarzellen, organische Leuchtdioden (OLED) und mehr zur Verfügung gestellt. Das offene System des Gene Pulser 630 von Venedig unterstützt Software- und Hardware-Upgrades, um den künftigen Anforderungen an neue Materialien wie die Dispersions- und Anordnungsregelung niederdimensioneller Materialien wie Quantenpunkte und Kohlenstoffnanoröhren gerecht zu werden.

Mit seiner innovativen Wellenformtechnologie, seiner intelligenten Parametersteuerung und seiner zuverlässigen Sicherheit ist der Gene Pulser 630 von Venedig ein entscheidendes Werkzeug für die Optimierung der Materialschnittstelle und die Vorbereitung effizienter Energieumwandlungsgeräte. Derzeit hat das Gerät seine Stabilität und Wiederholbarkeit in mehr als Tausenden von inländischen Laboren überprüft und bietet kostenlose Materialsysteme mit exklusiven Parameteroptimierungsprogrammen und Produktversuchsdiensten an, um Forschern zu helfen, die Engpässe der Effizienz von organischen Solarzellen zu durchbrechen und den Industrialisierungsprozess der Photovoltaik-Technologie zu beschleunigen.

Referenzen

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5. Photoelektrische Eigenschaften von indiumsfreien transparenten Elektroden von organischen Solarzellen [J]. Zhongzhiyu, Gu Jinhua, Ho Xiang. Zeitschrift der Nationalen Universität des Südens (Naturwissenschaftliche Ausgabe). 2011, Nr. 001