本文介绍了一种使用微型狭缝介电涂布机制备有机薄膜太阳能电池的方案，以及利用同步辐射散射技术进行相关在线结构表征的方法。
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本文内容
摘要
摘要
基于聚合物的材料有望成为低成本、柔性且高效的光伏器件。目前大多数实验室为实现高性能器件所开展的研究均采用旋涂法制备器件，而该方法难以适用于大规模生产。这种器件制备工艺上的差异使得实验室获得的定量结果难以向商业化生产转化，从而导致优化过程困难。通过使用微型狭缝涂布机，可将商业化制备工艺引入实验室，从而解决这一不匹配问题，并实现对器件活性层中结构形成的实时表征。 原位 当薄膜涂覆于基底上时，在不同条件下表征了形貌的演变过程，使我们能够提出一种关于结构形成与生长的机制。该微型狭缝模头涂布器为在工业相关条件下优化活性层形貌提供了一种简单、便捷且材料利用率高的途径。本实验方案的目标是展示使用微型狭缝模头涂布器制备太阳能电池器件的实验细节，以及设备运行的技术要点。 原位 使用微型狭缝涂布机进行结构表征。
引言
有机光伏（OPV）技术有望在不久的将来实现低成本可再生能源的生产。1,2,3 为开发光敏聚合物并制备高效率器件，研究人员已投入巨大努力。迄今为止，单层OPV器件已实现超过>10%的功率转换效率（PCE）。该效率值是在实验室规模器件上取得的，其薄膜制备依赖旋涂法；而当扩展至更大尺寸器件时，PCE显著下降。4,5 在工业生产中，通常采用卷对卷（R2R）薄膜涂布技术在导电基底上制备光敏薄膜，该工艺与典型的实验室制备过程存在显著差异，尤其体现在溶剂去除速率方面。这一点至关重要，因为薄膜的形貌由多种动力学过程共同决定，包括相分离、有序化、取向排列以及溶剂蒸发，最终形成动力学捕获的形貌。6,7 而这种动力学捕获的形貌在很大程度上决定了太阳能电池器件的性能。因此，深入理解涂布过程中形貌的演化机制，对于调控形貌以优化器件性能具有重要意义。
优化形貌需要理解在溶剂去除过程中，空穴传输聚合物在溶液中有序排列的动力学过程；8<....
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方案
1. 光子活性混合油墨的制备
- 称取10 mg DPPBT聚合物和10 mg PC71BM材料（化学结构见图1），在4 ml小瓶中混合。
- 向混合物中加入1.5 ml氯仿和75 µl 1,2-二氯苯。
- 将一个小的搅拌子放入小瓶中，用聚四氟乙烯（PTFE）盖子密封小瓶，并将小瓶转移至加热板上。以约400 rpm的速度搅拌，并在约50 °C下加热过夜，备用。
2. ITO 和晶圆基底的清洗与准备
- 将预图案化的氧化铟锡（ITO）玻璃基底（1 英寸×3 英寸，其中一半 ITO 已去除）或硅片放入聚四氟乙烯清洗架中，并将该架放入玻璃容器中（图 2）。向玻璃容器中加入稀释的洗涤剂溶液（300 ml，1% 通用洗涤剂溶液），然后将玻璃容器放入超声波清洗机中，超声处理 15 分钟。
- 倒掉洗涤剂溶液，用去离子水（DI 水）冲洗 ITO 玻璃数次。然后向容器中加入 300 ml 去离子水，再将玻璃容器放入超声波清洗机中处理 15 分钟。
- 倒掉容器中的水，加入 300 ml 丙酮，超声处理 15 分钟。
- 倒掉丙酮，向玻璃容器中加入 300 ml 异丙醇，然后超声处理 15 分钟。
- 将清洗架取出并放入烘箱中。将烘箱温度设定为 100 °....
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结果
如图所示 图3 微型狭缝模头涂布系统由一台涂布机、一台注射泵和一个中央控制箱组成。涂布机是该系统的核心部分，包含狭缝模头、一个水平平移平台和一个垂直平移平台。狭缝模头通过二维倾斜调节装置安装在垂直平移电机的基座上。 图10a 图示为未安装打印头的打印机主体，其中突显了二维倾斜操纵器。 图10b 展示了打印头在二维倾斜操纵器上的安装。 图10c 显示打印头和基板的放大图像。力传感器集成在垂直平移台上。实验中，通过垂直平移台调节喷头与基底之间的距离，利用二维倾斜电机调整喷头至严格垂直状态。力传感器用于监测狭缝涂布头系统的重量。当喷头接触基底时，传感器读数会从正值突变为负值，由此可判断喷头位置。随后将喷头上移至设定高度，以获得所需的间隙。打印过程中，狭缝涂布头保持固定，底部水平平移台进行移动。液体从喷头狭缝中持续释放，从而形成均匀薄膜。需要指出的是，打印头和基板均配备精密的温度控制系统，温度调节范围从室温至 150 °C 可在该系统的打印过程中.......
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讨论
本文所述方法侧重于开发一种可轻松实现工业化放大的薄膜制备工艺。在该方案中，薄膜印刷和同步辐射形貌表征是最关键的步骤。在以往实验室规模的有机光伏（OPV）研究中，旋涂法是制备薄膜器件的主要方法。然而，该工艺利用高离心力将体异质结（BHJ）溶液铺展成膜，这与工业上基于卷对卷的制备工艺存在显著差异。因此，通过旋涂法研究所获得的知识和经验无法直接应用于大面积器件的制备。本研究中采用的微型狭缝涂布装置与工业用薄膜涂布设备类似，因此非常适用于工业化前的测试。那些控制薄膜形貌并影响器件性能的参数需要重新评估。微型狭缝涂布的材料成本极低，因而可对大量器件制备条件进行优化。
同步辐射测量用于确定体相异质结（BHJ）太阳能电池薄膜的形貌演化过程。我们采用掠入射X射线衍射（GIXD）和掠入射X射线散射（GISAXS）来监测结构的演化。理想情况下，应同时进行这两项实验；若不可行，也可分别进行。GIXD与GISAXS之间的唯一区别在于样品到探测器的距离，因此实验细节仅描述一次。实验中将使用涂有PEDOT:PSS的硅片作为涂覆基底。打印过程与器件制备过程相同。必须精确计算打印机在基底上的位置，以确保能够达到所.......
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
本工作由美国能源部基础能源科学办公室资助的能源前沿研究中心——用于太阳能收集的聚合物基材料（PHaSE）——支持，资助编号为 DE-SC0001087，以及美国海军研究办公室合同号 N00014-15-1-2244。本研究的部分工作在劳伦斯伯克利国家实验室的先进光源（Advanced Light Source）的 7.3.3 和 11.0.1.2 光束线完成，该设施由美国能源部科学办公室和基础能源科学办公室支持。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| PC71BM | 纳米碳公司 | nano-c-PCBM-SF | |
| DPPBT | 马萨诸塞大学 | 定制 | |
| PEDOT:PSS | 贺利氏 | P VP Al 4083 | |
| Mucasol 液体清洗剂 | 西格玛奥德里奇 | Z637181 | |
| 丙酮 | 西格玛奥德里奇 | 270725 | |
| 异丙醇 | BDH | BDH1133 | |
| 氯仿 | 西格玛奥德里奇 | 372978 | |
| 1,2-二氯苯 | 西格玛奥德里奇 | 240664 | |
| 氟化锂 | 西格玛奥德里奇 | 669431 | |
| 铝 | Kurt Lesker | EVMAL50QXHD | |
| 玻璃小瓶 | 费希尔科技 | 03-391-7B | |
| 超声波清洗机 | Cleanosonic | Branson 2800 | |
| 烘箱 | WVR | 414005-118 | |
| 清洗架 | 劳伦斯伯克利国家实验室 | 定制 | |
| 掩膜板 | 劳伦斯伯克利国家实验室 | 定制 | |
| 紫外臭氧清洗机 | UVOCS INC | T16X16 OES | |
| 手套箱 | MBraun | 定制 | |
| 蒸发仪 | MBraun | 定制 | |
| 狭缝涂布机 | Jema Science Inc | 定制 | |
| 太阳光模拟器 | Newport | Class ABB | |
| 旋涂仪 | SCS Equipment | SCS G3 | |
| 加热板 | 赛默飞世尔科技 | SP131015Q | |
| X射线测量 | 劳伦斯伯克利国家实验室 | Beamline 7.3.3 |
参考文献
- Brabec, C. J., et al. Polymer-Fullerene Bulk-Heterojunction Solar Cells. Adv. Mater. 22 (34), 3839-3856 (2010).
- Thompson, B. C., Fréchet, J. M. J. Polymer-Fullerene Composite Solar Cells. Angew. Chem. Int. Ed. 47 (1), 58-77 (2008).
- Günes, S., Neugebauer, H., Sariciftci, N. S.
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重印与许可
