Synthese van ZnO-nanokristallen en toepassing in omgekeerde polymeerzonnecellen

Resultaten en discussie

Door hydrothermische groeiparameters, zoals de oplossingsconcentratie, reactietemperatuur en oppervlakteactieve stof, af te stemmen, werden ZnO-nanokristallen met verschillende morfologieën, bijvoorbeeld ZnO-nanostaafjes, nanotetrapoden, nanobloemen en nanokubussen, verkregen. Onder hen werd een patroon en uitgelijnde ZnO-nanostaafarray gesynthetiseerd via een hydrothermische route met behulp van de TiO₂ ringsjabloon afgeleid van de zelf-geassembleerde monolaag van polystyreen microsfeer (omgekeerde zelf-geassembleerde monolaag-sjabloon), die is aangetoond in ons vorige werk [11]. Figuur 2a, b geeft het bovenaanzicht en een kanteling van 45° weer van de als-gegroeide ZnO-nanostaafreeks, gegroeid in de waterige oplossing met 0,05 M Zn(NO₃ )₂ ·6H₂ O en HMTA bij 80 ° C gedurende 3 uur. Het is te zien dat de ZnO-nanostaafreeks de lange-afstand hexagonale periodiciteit van de TiO₂ behoudt ringsjabloon heel goed. Alle ZnO-nanostaafjes zijn perfect loodrecht op het substraat uitgelijnd met de uniforme diameter van 380 nm, wat een korte en continue route voor elektronentransport kan bieden, en op elke groeiplaats wordt slechts één ZnO-nanostaafje gekweekt. Uit het bovenaanzicht van de as-grown ZnO-nanostaafjesreeks in figuur 2a, kunnen we zien dat de ruimte tussen aangrenzende ZnO-nanostaafjes ongeveer 200 nm breed is, wat belangrijk is voor de volgende infiltratie van de organische lichtabsorbeerder. Bovendien kunnen zowel de diameter als de lengte van de ZnO-nanostaafjes gemakkelijk worden gevarieerd door de oplossingsconcentratie en reactietemperatuur tijdens hydrothermische groei te variëren, zoals gerapporteerd in ons vorige werk [11]. De ZnO-nanotetrapod-array, zoals weergegeven in Fig. 2c, d, werd gedurende 6 uur gekweekt bij 0, 025 M, 50 ° C door de omgekeerde zelf-geassembleerde monolaag-sjabloon vergelijkbaar met de ZnO-nanostaafarray. Het verschil met de ZnO nanorod-array is dat een bepaalde hoeveelheid PEI (0,1 ml PEI per 40 ml reactieoplossing) is gebruikt tijdens de hydrothermische groei, waarvan wordt gemeld dat deze de groei in axiale richting bevordert, maar de groei in de radiale richting [12]. Uit het bovenaanzicht (Fig. 2c) en 45° kantelaanzicht (Fig. 2d) van de ZnO-nanotetrapod-array, kunnen we zien dat de nanotrapod-array ook de lange-afstand hexagonale periodiciteit van de TiO₂ ringsjabloon zeer goed, en elke nanotetrapod is samengesteld uit drie tot zeven nanostaafjes die op elke groeiplaats zijn gegroeid, dus het oppervlak van de ZnO-nano-trapod-array is veel groter dan de ZnO-nanorod-array.

een Bovenaanzicht en b 45 ° kantelaanzicht van de ZnO nanorod-array. c Bovenaanzicht en d 45° kantelbeeld van de ZnO-nanotrapodarray

Figuur 3a, b toont de SEM-afbeeldingen van respectievelijk ZnO-nanobloemen en nanokubussen, die als volgt worden bereid met een tweestapsmethode. Ten eerste werden ZnO-nanostaafjes gekweekt via het hydrothermale proces in de waterige oplossing die 0,025 M Zn(NO₃ bevatte) )₂ ·6H₂ O en HMTA bij 85 ° C gedurende 3 uur. Vervolgens werden zo-gegroeide ZnO-nanostaafjes ondergedompeld in verschillende oplossingen voor secundaire groei. ZnO-nanobloemen werden verkregen in de oplossing van 0,0075 M Zn(NO₃ )₂ ·6H₂ O en 0,0075 M natriumcitraat bij 95 ° C gedurende 12 uur, terwijl ZnO-nanoblokjes werden verkregen in de oplossing van 0,0075 M Zn (NO₃ )₂ ·6H₂ O en 0,015 M natriumcitraat bij 95 ° C gedurende 6 uur. Ten slotte werden zoals gegroeid ZnO-nanobloemen en nanokubussen grondig gespoeld met gedeïoniseerd water en aan de lucht gedroogd om achtergebleven polymeer te verwijderen. Uit het bovenaanzicht van de ZnO-nanobloemen in Fig. 3a kunnen we zien dat de ZnO-nanobloemen ongeordend en vol zijn, en elke nanobloem is samengesteld uit vele "bloemblaadjes", zodat het oppervlak aanzienlijk wordt vergroot. De ruimte tussen aangrenzende "bloemblaadjes" van de ZnO-nanobloemen is echter zo klein (~  30 nm breed), zoals weergegeven in de inzoomweergave van figuur 3a, dat de volgende infiltratie van de organische lichtabsorbeerder erg moeilijk wordt. Figuur 3b toont het bovenaanzicht van de ZnO-nanokubussen. Het is duidelijk dat de ZnO-nanokubussen uniform van grootte zijn en de lengte van de zijkant ongeveer 150 nm. Bovendien is elke ZnO-nanokubus van elkaar gescheiden, wat het elektronentransport in zonnecellen zal beïnvloeden, zoals verderop in dit artikel wordt beschreven.

Bovenaanzicht van a de ZnO nanoflowers en b de ZnO-nanokubussen. De inzet van Fig. 3a is de ingezoomde weergave van een enkele ZnO-nanobloem

Vervolgens worden de vier soorten ZnO-nanokristallen geïntroduceerd in de organische bulk heterojunctie zonnecellen, zoals weergegeven in Fig. 1. Tijdens het fabricageproces werden vier zonnecellen gefabriceerd in elk ITO-substraat. Waaronder, als de maximale afwijking van de fotonconversie-efficiëntie (PCE) minder is dan 3% in ten minste drie zonnecellen met hogere PCE-waarden, dan worden hun prestatieparameters geregistreerd. Ter vergelijking zijn hier de hoogste PCE-waarden in de records overgenomen. Daar werden voor elk voorbeeld vijf monsters gemaakt, waaronder de afwijking van de PCE en andere belangrijke parameters voor elk voorbeeld minder dan 3% is, dus de resultaten zijn geloofwaardig. De J -V kenmerken van de zonnecelapparaten met verschillende ZnO-nanokristallen onder gesimuleerd zonlicht werden getoond in Fig. 4, en de bijbehorende apparaatprestaties zijn samengevat in Tabel 1.

J -V kenmerken van de organische bulk heterojunctie zonnecellen met verschillende ZnO nanostructuren

Het is te zien dat het ZnO-nanotetrapod-apparaat een hoogste PCE van 3,96 vertoont, gevolgd door het ZnO-nanostaafje en nanoflower-apparaat (respectievelijk 3,71 en 3,69), en het ZnO-nanocube-apparaat vertoonde een laagste PCE van 3,25. De verbetering in PCE komt voort uit de hogere kortsluitstroomdichtheid (J _SC ), terwijl de nullastspanning (V _OC ) van de vier apparaten blijft nagenoeg ongewijzigd. De beste prestaties van het ZnO-nanotetrapod-apparaat kunnen worden toegeschreven aan het grote oppervlak en de juiste ruimte (~  300 nm) tussen aangrenzende ZnO-nanokristallen voor de infiltratie van de organische lichtabsorbeerder. Het ZnO-nanostaafje heeft een relatief kleiner oppervlak, wat leidt tot een lagere kleurstoflading en lichtopbrengst, wat de ladingsextractie zal beïnvloeden, en dus een lagere J vertoont. _SC vergeleken met het ZnO-nanotrapod-apparaat [13]. De ZnO-nanobloemen, zoals weergegeven in Fig. 2c, d, heeft het grootste oppervlak, maar het overeenkomstige apparaat presenteert een lagere PCE in vergelijking met de ZnO-nanotrapod. Omdat de ruimte (minder dan 50 nm) tussen aangrenzende "bloemblaadjes" van de ZnO-nanobloemen zo dichtbij is dat de infiltratie en de combinatie van de organische lichtabsorbeerder en het ZnO-elektronentransportkanaal erg slecht worden. Zoals bekend, zijn betere infiltratie en effectiever contact essentieel om een ​​hoger vermogen van dragertransmissie en excitondissociatie te bereiken. Daarom lijdt het ZnO-nanoflower-apparaat lager J _SC , vergeleken met de ZnO-nanotetrapod. Naast het grote oppervlak en de juiste ruimte tussen aangrenzende ZnO-nanokristallen voor de infiltratie van de organische lichtabsorbeerder, is een korte en continue route voor elektronentransport ook erg belangrijk. Voor het ZnO-nanokubusapparaat, aangezien elke ZnO-nanokubus van elkaar is gescheiden, is het pad voor elektronentransport, dat wordt onderbroken door de korrelgrens tussen aangrenzende nanokubussen, niet continu. Als resultaat presenteert het ZnO nanocube-apparaat de laagste J _SC .