Name: 通过实验室X射线仪器对有机太阳能电池的滚滚涂层进行现场放牧小角度X射线散射 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2021-03-02T13:00:00.000+00:00
Duration: 6 min 49 s
Description: 了解原位掠入射小角X射线散射技术，用于研究有机太阳能电池活性层在卷对卷狭缝涂布过程中的结构演变。该方法可优化涂层参数，提高柔性太阳能电池的光电转换效率。

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

作者谨此感谢两位协助重建和维护仪器的技术人员，Kristian Larsen 和 Mike Wichmann。此外，作者感谢 Roar R. Søndergaard 和 Anders Skovbo Gertsen 富有成效的讨论。本研究由欧洲研究理事会（ERC）在欧盟“地平线2020”研究与创新计划（SEEWHI 巩固者资助项目编号：ERC-2015-CoG-681881）资助支持。

本实验方案分为五个部分。首先，介绍墨水的制备方法。其次，描述卷对卷狭缝涂布的准备与操作步骤。第三，提供原位掠入射小角X射线散射（GISAXS）实验的逐步操作指南。第四，概述数据校正与分析的流程。最后，报告并讨论实验结果。
1. 卷对卷涂布用油墨的制备（第1天）
<ol>
	<li>在开始实验前，仔细阅读聚合物、分子和溶剂的材料安全数据表（MSDS）。</li>
	<li>将 90 mg 的 O-IDTBR 和 90 mg 的 P3HT 放入一个 10 mL 的小瓶中。</li>
	<li>用 4.5 mL 的二氯苯：溴代苯甲醚（0.95:0.05）混合溶剂溶解 P3HT:O-IDTBR 固体。所得油墨的最终浓度为 180 mg / 4.5 mL = 40 mg/mL。</li>
	<li>将磁力搅拌子放入溶液中，并立即密封小瓶。将密封后的小瓶置于带有磁力搅拌器的加热板上，设置转速为 300 rpm，加热板温度为 60 °C，持续搅拌 12 小时。</li>
	<li>重复上述步骤，制备 P3HT:EH-IDTBR 油墨。</li>
</ol>
2. 准备并进行卷对卷狭缝涂布（第2天）
<ol>
	<li>关闭旋转装置和加热板。在使用前至少1小时将小瓶从加热板上取下，使墨水达到室温后再进行涂布。</li>
	<li>将18米长的PET基底薄膜缠绕到送料辊上。将基底的自由端固定在收卷辊上，如图5所示。启动电机，使薄膜运行0.2米以拉紧基底。</li>
	<li>将卷对卷装置中的第一块加热板设定至所需温度（例如60 °C），第二块加热板设定为80 °C，以确保薄膜在收卷至收卷辊上时已完全干燥。等待约15分钟，使两块加热板的温度稳定。</li>
	<li>将2.2 mL墨水装入3 mL注射器中。将注射器安装到泵上，并连接一段管路，将注射器与狭缝模头涂布头相连。</li>
	<li>通过调节水平平移平台，将涂布头移至第一块加热板末端附近，并将弯月面引导器置于基底上方约5 mm处。</li>
	<li>将注射泵设定为以下涂布参数：流速：0.08 mL/min，注射器直径：12.7 mm。</li>
	<li>根据以下公式，通过调节流速f和基底移动速度v来控制活性层厚度d： 
	<img alt="直径计算公式；公式：d=cf/ρvw；用于工程分析。" src="/files/ftp_upload/61374/61374equ1v2.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="公式1"> 
	其中w为薄膜宽度（由弯月面引导器决定），ρ为墨水中材料的密度。本实验中采用v=0.6 m/min，流速f=0.08 mL/min，所得干膜厚度为425 nm。</li>
	<li>关键步骤：手动推动注射器中的墨水，使其通过软管输送，当墨水距离涂布头约1 cm时停止。启动注射泵，等待液滴润湿整个弯月面引导器的宽度。立即降低涂布头，使墨水润湿基底，随后将弯月面引导器抬升至距基底上方2 mm的涂布位置。</li>
	<li>启动收卷基底的电机，开始涂布墨水。</li>
	<li>停止涂布时，先停止泵运行，再停止基底移动。将涂布头抬升至安全高度（约基底上方20 mm）。随后用四氢呋喃清洗涂布头和管路。</li>
</ol>
3. 第2天：原位卷对卷掠入射小角X射线散射实验
<ol>
	<li>X射线装置设置说明 
	注意：掠入射小角X射线散射装置的总长度为4.5 m，由X射线源、聚焦光学元件、准直段、样品台、飞行管、光束挡板和探测器组成，如图所示 图6X射线源为理学公司（Rigaku）的旋转阳极。
	<ol>
		<li>本实验使用铜阳极，工作条件设置为 36 kV 和 36 mA。</li>
		<li>在精细聚焦模式下进行实验。光学系统由一个二维聚焦多层单色器组成，该单色器经调整以优化铜Kα 波长为1.5418 Å的辐射。准直部分包含三个针孔，分别位于X射线源下游45 cm、141 cm和207 cm处。针孔直径分别为0.75 mm、0.3 mm和1.0 mm，在样品位置处对应探针尺寸约为1.0 mm，对应0.2°入射角下的光束照射面积为286 mm。光束在样品处的通量为5 × 106 光子 s-1 如图所示的轮廓 图7左侧面板。</li>
		<li>确保样品台至少配备三个可控电机，以调节微型卷对卷涂布机的位置。在样品台下游，将一根166 cm长的抽真空飞行管（压力低于0.01 mbar）安装在机架上，随后连接Eiger 4M X射线探测器。31.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>安装辊涂机。
	<ol>
		<li>将微型卷对卷涂布机固定在测角仪上。将装有卷对卷涂布机的测角仪安装在光学平台的样品位置。</li>
		<li>固定三个电机电缆。将测角仪平台固定在实验台上。将飞行管尽可能靠近微型卷对卷涂布机放置。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>关键步骤： 调整样品位置。将10 cm的墨迹涂于表面，并将薄膜卷入光束中。校准步骤分为三步。
	<ol>
		<li>将样品与入射光束平行对准。该操作通过迭代过程实现：扫描垂直样品位置和入射角变化时的直射光束总强度。</li>
		<li>将样品调整至特定入射角， αi，通过使用以下公式计算探测器上反射光束的角度： 
		<img alt="静力平衡公式；物理学中的角度计算；三角方程示意图" src="/files/ftp_upload/61374/61374equ2v3.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="公式 1">  (1) 
		其中 RB 是反射光束的位置， DB 是直接光束位置（单位均为 cm），SDD 为样品到探测器的距离，此处为 166 cm。</li>
		<li>通过扫描样品位置的高度来优化反射光束的强度。本实验中，采用入射角 0.2°本实验步骤的二维数据如图所示 图7.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>入射角的选择
	<ol>
		<li>选择入射角以确保穿透目标层。此处的入射角应为 0.2°. 
		注意：本实验中所研究的薄膜由溶剂、P3HT 和 IDTBR 组成。P3HT 和 O-IDTBR 的密度均高于溶剂，且可能具有最高的全反射临界角。P3HT 和 O-IDTBR 的临界角会因其分子堆积方式的不同而变化，导致临界角值在一定范围内变动 0.16° - 0.19°，假设固体密度为1.1 - 1.35 g/cm³3因此，选择0.2°以确保入射光穿透薄膜整体。对其他样品体系进行GISAXS实验时，应评估适用于该特定样品的最佳入射角28,59.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>在探测器前安装光束挡板，以延长探测器的使用寿命。使用圆形光束挡板遮挡直射光束，并额外使用一个细长的矩形光束挡板遮挡反射光束。光束挡板需能够遮挡直射光束，同时允许低散射角下的散射信号被探测到。 
	注意：可以不使用光束挡板进行本实验，以便持续追踪反射光束。</li>
	<li>安装点式抽吸装置。将点式抽吸装置置于蒸发溶剂上方，以去除所有气体。固定点式抽吸装置，确保每次实验时样品处的气流保持一致。</li>
	<li>用注射器吸取2.2 mL墨水，将注射器装入注射泵中。手动推动注射器中的墨水，使其流经软管，当墨水距离涂布头约1 cm时停止。</li>
	<li>设定涂布头与X射线束之间的距离。将涂布头沿箔材移动方向置于距离X射线束120 mm的位置，以确保12秒的干燥时间（若需3秒干燥时间，则将涂布头置于距X射线束30 mm处），如图所示 图8.</li>
	<li>开始卷对卷狭缝涂布。将弯月面引导器的高度置于基底上方5 mm处。
	<ol>
		<li>启动注射泵，等待液滴润湿弯月面导引装置的整个宽度。立即降低涂布头，使基底被墨水润湿，然后将弯月面导引装置抬升至涂布位置，即基底上方 2 mm 处。</li>
		<li>启动卷绕基底的电机，开始涂布油墨。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>开始记录数据。打开X射线快门，持续记录3000秒数据。 
	注意：本实验采用 3000 秒的曝光时间，更稳健的方法是进行多次较短时间的曝光，以便对数据进行灵活的时间分 bin 处理。</li>
	<li>使用相机监测镀膜质量，观察薄膜在基底上是否存在去润湿效应以及弯月面错位现象。如有必要，停止测量并重新进行实验。
	<ol>
		<li>实验结束后，关闭X射线快门，远程关闭X射线束，停止注射泵，抬起涂布头并收卷箔材。若需进行一系列实验，可重复此步骤并采用不同参数设置。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
4. 数据处理
注意：共进行了四次实验，具体参数见表2。其中一次使用P3HT:O-IDTBR的实验由于注射泵故障在2732秒时停止；因此，信号需进行归一化处理，以校正采集时间差异。
<ol>
	<li>数据校正
	<ol>
		<li>首先，使用掩膜校正光束挡板和死像素33。随后应用 SAXSLAB 开发的宇宙射线滤波器，接着进行平坦场校正、时间校正，以及对多晶铝产生的额外散射峰进行滤波处理——这些散射峰在图9左侧面板所示的两个数据集中清晰可见。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>从实空间到倒易空间
	<ol>
		<li>使用以下公式将二维数据从实空间转换为倒易空间矢量qx,y,z，单位为 Å-1： 
		<img alt="静力平衡方程，示意图，科学分析，包含三角函数和角度。" src="/files/ftp_upload/61374/61374equ3v2.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="方程 1">  (2) 
		其中，αi 为入射角（相对于表面法线），αf 为探测器上的出射/终末角（探测器上的垂直方向），2θf 为面内出射/终末角（探测器上的水平方向），λ 为入射光束的波长。假设波长保持不变，即弹性散射34。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>在Yoneda线处进行水平线积分
	<ol>
		<li>确定光束中心的x和y坐标，样品到探测器的距离（SDD = 1.66 m）、X射线的波长（1.5418 Å）以及每个方向上的像素尺寸（75 × 75 μm2）。</li>
		<li>根据所研究样品的临界角计算Yoneda线的预期位置28,34,35,36。</li>
		<li>使用MatLab脚本或专用软件（如DPDAK或Xi-Cam38,39）获取散射强度随散射矢量qxy的变化关系。沿图9中标示的Yoneda线进行水平线积分，积分宽度为两侧各50个像素，以确保足够的信噪比。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>水平积分数据的分箱处理
	<ol>
		<li>为避免过采样（见图9右侧面板），并提高大散射矢量qxy,下的信噪比，对数据进行对数分箱处理40。</li>
		<li>在qxy = 0.5 × 10-3 Å之前，不要对数据点进行分箱。由于该区域强度高且在q空间中数据点间距较大，无需分箱即可避免冗余数据点。</li>
		<li>从qxy = 0.5 × 10-3 Å及以上开始，将qxy轴在对数尺度上划分为135个等间距的分箱，使得第一个分箱位于qxy = 0.53 × 10-3 Å，取两个数据点的平均值，最后一个分箱点位于qxy = 0.3 Å，取24个数据点的平均值。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>应用Teubner-Strey模型
	<ol>
		<li>采用三个Teubner-Strey组分来描述数据。前两个组分描述给体/受体之间的对比度，最后一个组分描述由溶剂包围的较大材料聚集体之间的对比度。散射强度的数学表达式如下： 
		<img alt="静态结构因子方程，Σ I(qxy)=Σ3_1 a1,i+c1,iqxy²+c2,iqxy⁴+β；数学公式。" src="/files/ftp_upload/61374/61374equ8v2.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="方程 1">  (3) 
		其中β为常数背景，参数a1,i、c1,i、c2,i由畴尺寸di和关联长度ξi定义，具体如下： 
		 
		<img alt="静力平衡方程，公式，ΣFx=0, MA=0，数学分析示意图。" src="/files/ftp_upload/61374/61374equ9v6.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="方程 1"> (4) 
		由公式(4)可得，畴尺寸和关联长度可表示为： 
		<img alt="静力平衡方程；公式 di=2π[1/2(a1,i/c2,i)^1/2−1/4(c1,i/c2,i)]^-1/2。" src="/files/ftp_upload/61374/61374equ10v2.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="方程 1">  (5) 
		以及 
		<img alt="静力平衡公式，ξi方程；用于科学研究的数学分析。" src="/files/ftp_upload/61374/61374equ11v2.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="方程 1">  (6) 
		其中d1、ξ1、d2和ξ2为给体/受体相的参数，d3和ξ3为聚集体/溶剂相的参数。拟合模型如图10所示。基于上述Teubner-Strey模型的四次拟合结果见表3。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

入射角对于GISAXS实验非常重要。在柔性基底上进行18米薄膜的卷对卷涂布时，人们可能会质疑薄膜相对于入射&#160;角的稳定性。在本演示所进行的实验中，我们无法证明移动基底的稳定性，但已有先前发表的数据使用了该装置的早期版本，记录了薄膜的稳定状态18,21。此前利用该卷对卷涂布装置开展的同步辐射实验表明，入射角的变化不超过±0.03°，这是通过反射束位置随时间的变化（时间分辨率为0.1 s）评估得出的，相当于本实验中Yoneda线位置上下±12个像素，而水平线积分的范围为±50个像素。根据本分析所作的假设，入射角的这一微小变化不会影响本研究的分析结果，因此可以忽略。未来，此类实验应避免使用光束挡板，并在实验全程连续采集数据，以监测入射角的变化。
已知干燥薄膜上方的空气对流、相对压力和相对湿度会影响薄膜的干燥过程；因此，为了实现完全可重复的实验，必须仔细测量这些参数。本文中四次测量之间的比较是有效的，因为它们是在同一天完全相同的条件下进行涂覆的。
为了进行卷对卷原位GISAXS实验，必须满足若干条件以确保实验成功。材料之间的电子密度差异（对比度）需要足够高，才能产生散射信号。关于此主题的指导原则已由J. Als-Nielsen等人发表53。
由于实验室光源的X射线通量远低于同步辐射光源，因此进行此类实验需要使用更多的材料。因此，该方法并不完全适用于新材料的发现，但可作为优化有机光伏器件（OPVs）相关油墨配方的工具。此外，由于通量较低，仅能对油墨干燥过程的时间分辨率进行较粗略的实验。在实验过程中，我们对干燥过程中的18米活性层进行探测。我们预计在整个实验过程中大尺度形貌会存在微小变化，因此我们探测的是18米涂布薄膜的平均状态，这模拟了大规模制备的实际条件。如果需要研究数米范围内的非均匀性，则必须使用同步辐射光源。
进行3000秒的曝光并不是最优的实验设计。更可靠的方法是进行若干次较短时间的曝光，以便对数据进行灵活的时间分箱，从而分析大尺度的均匀性，并在所有时间点探测入射角。
据我们所知，这是首次在实验室X射线源上对用于有机光伏（OPV）器件的油墨进行卷对卷涂布过程中开展原位掠入射小角X射线散射（GISAXS）研究的示范，尽管我们此前已展示过类似实验，用于分析晶体衍射信号54,55。通过本项示范和实验方案，我们相信研究人员、学生以及青年工程师将能更便捷地开展和实施原位GISAXS实验。这有望推动该研究领域的发展，原因在于此类设备在日常科研中即可获得。此外，通过使用卷对卷涂布设备，可将本实验中探测到的结构特性与太阳能电池的实际性能进行一对一的直接比较。
为了充分利用实验室自建X射线源的全部优势，需要对实验装置进行改进。除了提高小型实验室X射线源的可用X射线通量外，改进该实验的第一步是避免铝产生的散射峰叠加在数据上，如图9（左）所示。这可以通过安装能够耐受高达150 °C温度以实现适当加热的X射线吸收型样品支架来实现。此外，在样品前方增加防护狭缝将有助于提高数据质量。本演示不仅对有机太阳能电池领域的研究具有重要意义，也适用于任何正在研究或优化薄膜技术涂布参数的领域。将该技术与同步进行的掠入射广角X射线散射（GIWAXS）相结合，可探测晶体结构，将进一步拓展实验室内卷对卷X射线实验适用的科学研究领域。
由于这些原位卷对卷实验探测的是湿膜，因此如果溶剂对入射X射线束的吸收不过强将更为有利。通常情况下，聚合物：PCBM体系具有较大的散射反差，若再结合不含氯（氯是强X射线吸收元素）的溶剂，可确保获得较大的反差，从而产生较高的散射强度。在本实验中，P3HT:IDTBR体系的反差较小，再与含氯溶剂结合，导致散射强度较低。这类材料并非此类实验的理想选择，但对太阳能电池而言却非常有意义，因此有必要进一步发展该技术，以确保低反差、高吸收的体系也能被有效探测。模型的选择是实现多个GISAXS实验之间进行比较分析的最关键因素。在本文所呈现的分析中，采用了Teubner-Strey框架来描述四组数据。选择模型的最佳方法是事先掌握被测样品形貌与尺寸的从头计算（ab initio）信息，这些信息可通过透射电子显微镜（TEM）图像、模拟计算或显微图像获得。文中已阐明我们选择该模型的理由，但需注意的是，有多种模型均可用于描述此类GISAXS数据。Teubner-Strey模型最初是为透射SAXS开发的，但此前已成功用于建模体异质结（BHJ）太阳能电池的GIWAXS数据51，本次研究中亦得到应用。未来的改进方向包括引入源自分子动力学模拟的抽象几何模型，并应用DWBA（动力学X射线反射理论）来建模二维数据。其他可选模型包括：具有多分散尺寸分布的严格几何体，如文献53中所述及应用者，此类建模需采用DWBA处理二维数据；结合菲涅耳反射率与高斯分布以拟合有序体系（如嵌段共聚物）的GISAXS信号56；主要用于生物样品的珠状模型（bead models）57；以及分形几何模型58,59。

有机光伏（OPVs）是目前最具前景的新兴太阳能电池技术之一。基于无毒材料且具有显著短能量回收周期的有机光伏技术，有望实现大规模生产低成本可再生能源1。有机光伏器件中的光活性层由导电聚合物和分子构成，厚度约为300–400 nm，可通过卷对卷涂布技术以每分钟数米的速度进行印刷1。这种薄膜技术具有柔性、色彩丰富和轻质的特点，为新型太阳能市场开辟了道路，例如物联网、建筑一体化、装饰性装置以及大规模快速安装与拆卸等应用场景2,3,4,5。此外，有机光伏器件完全由丰富且无毒的元素组成，使其在生产和回收方面均具有成本优势。因此，该技术正受到工业界和学术界的日益关注。研究人员已投入大量努力，优化构成有机太阳能电池完整叠层结构中的每一层，并开展了大量理论与实验研究以深入理解有机光伏的物理机制6,7,8。由于对该技术的高度关注，领域发展迅速，目前实验室制备的高性能器件效率已超过18%9。然而，在器件放大制造过程中（即从刚性基底上的旋涂工艺转向柔性基底上的可扩展沉积工艺），效率会出现显著下降10。因此，缩小实验室小面积器件与大面积可扩展制备之间的性能差距，对于使有机光伏技术能够与其他商业化薄膜太阳能电池技术竞争至关重要。
有机光伏（OPV）是一种由多个功能层组成的薄膜技术。在本演示中，仅关注其中的光活性层。该层尤为关键，因为光子在此被吸收，并产生光电流。通常，光活性层至少包含两种组分，即给体和受体。本文重点研究给体聚合物P3HT与受体O-IDTBR或EH:IDTBR的组合11，其化学结构式如图1所示。光活性层的最优结构被称为体相异质结（BHJ），其中各组分在整个器件中相互混合，如图2所示。体相异质结通过狭缝涂布法将含有给体和受体的溶液墨水沉积而成10。在将湿墨涂覆到基底上的过程中，溶剂分子逐渐挥发，从而使给体和受体形成互混状态。给体与受体在相分离、取向、有序性及尺寸分布方面的分布情况，通常被称为BHJ的形貌。由于工作原理的特性，活性层的形貌对太阳能电池性能具有重要影响4,12。其工作原理如图2所示，可分为四个步骤：第一步，入射光子被吸收，使电子从最高占据分子轨道（HOMO）跃迁至最低未占据分子轨道（LUMO）。空穴（HOMO中的空态）与激发态电子相互束缚，这一束缚的电子-空穴对称为激子。第二步，激子可自由移动，其在复合前的平均自由程约为20 nm6。第三步，当激子接近给体与受体之间的界面时，会解离为受体LUMO中的自由电子和给体HOMO中的自由空穴，这一过程在能量上是有利的。第四步，若器件连接至外电路，电荷将被分别传输至阳极和阴极。为了提升OPV器件的功能性，必须优化形貌以适应上述四个步骤，确保体相异质结尽可能多地吸收入射光子，并生成尽可能多的可移动电荷。然而，关于最优形貌的科学问题仍未解决。
这仍然是一个尚未解决的问题，针对特定给体与受体组合优化形貌的工艺目前仍需通过试错法进行。已有文献报道了共混物P3HT:O-IDTBR和P3HT:EH-IDTBR的最佳涂布条件13,14。本实验采用类似的实验参数，在60 °C条件下于柔性基底上制备了P3HT:O-IDTBR和P3HT:EH-IDTBR的卷对卷涂布器件，具体方法参照Kuan Liu等人15的描述。所制备的卷对卷涂布有机光伏器件（OPVs）具有倒置结构16，并在无铟锡氧化物（ITO-free）的柔性基底上加工而成，器件结构为PET/Ag-grid/PEDOT:PSS/ZnO/P3HT:O-IDTBR或EH-IDTBR/PEDOT:PSS/Ag-grid，其中光照从PET基底一侧入射。PEDOT:PSS是聚(3,4-乙烯二氧噻吩)聚苯乙烯磺酸盐的缩写，PET为聚对苯二甲酸乙二醇酯。器件制备完成后，将最终的叠层切割成面积为1 cm2的活性区域的小型太阳能电池。
表征太阳能电池性能的标准方法包括测量电流密度-电压（J-V）曲线和外量子效率（EQE）光谱。对于这两者 P3HT:O-IDTBR 和 P3HT:EH-IDTBR，结果如图所示 图3 和 表1. 器件的PCE较低，仅为2.2% P3HT:EH-IDTBR 太阳能电池的短路电流较低（J干细胞），这在一定程度上受到9.0 Ω·cm串联电阻（Rs）的限制2 与P3HT:O-IDTBR的7.7 Ω·cm相比2. 开路电压（VOC），在两种设备中均相似（表1），这反映了两种受体在电子结构上的相似性。该材料的光伏带隙为 P3HT:O-IDTBR 和 P3HT:EH-IDTBR 太阳能电池的带隙分别为1.60 eV和1.72 eV，与EQE中显示的红移所观察到的光学特性一致 图3 由 Enrique P. S. J. 等人报道13通常，红移是由于晶体结构更加有序所致，因此可以预期 O-IDTBR 结晶度高于 EH-IDTBR 针对特定的包被条件。改进的 JSC 的 P3HT:O-IDTBR 太阳能电池性能的提升部分归因于其更宽的光谱吸收范围以及器件加工工艺的改进。该器件的积分EQE电流 EH-IDTBR 和 O-IDTBR 基于设备的数值为 5.5 和 8.0 mA/cm2 在1个太阳光照下，如图所示 图3从外量子效率（EQE）曲线可以看出，1:1的质量比接近理想状态 P3HT:O-IDTBR 但并非最优选择 P3HT:EH-IDTBR设备性能的差异在一定程度上可归因于薄膜中针孔的存在 P3HT:EH-IDTBR 薄膜，而 P3HT:O-IDTBR 如图所示，表面光滑 图4. 针孔在 P3HT:EH-IDTBR 材料体系在太阳能电池制备过程中会被后续的PEDOT:PSS层覆盖，从而防止器件发生短路。此外，受体分子的侧链分别为线性和支化结构，导致其溶解性不同，进而影响干燥动力学。可通过微型卷对卷涂布设备在涂布过程中研究其干燥动力学，该设备可模拟太阳能电池制备中的相同涂布条件17，首次于2015年证实18.
本文介绍了一种改进的微型卷对卷狭缝涂布机在原位GISAXS实验中的应用，利用实验室自备X射线源研究有机光伏器件（OPVs）墨水干燥过程中的形貌演变。GISAXS是研究薄膜内部或表面纳米结构的尺寸、形状及取向分布的首选方法19。在进行GISAXS实验时，用于探测样品的散射X射线被记录在二维探测器上。其中关键难点在于选择合适的模型，以从被研究样品中提取所需信息。因此，事先了解样品结构对于选择合适模型至关重要。此类信息可通过原子力显微镜（AFM）、透射电子显微镜（TEM）或分子动力学模拟获得7。本文将阐述为何以及如何应用Teubner-Strey模型框架20，对原位GISAXS实验获得的数据进行建模，以提取体异质结（BHJ）墨水在干燥过程中内部相区的尺寸分布。使用微型卷对卷涂布机具有两个优势：第一，其可实现与大规模生产完全一致的1:1模拟，因此可直接比较器件性能与活性层特性；第二，通过该方法可确保光束区域内有足够新鲜的墨水，从而允许使用实验室X射线源进行原位实验。近年来，利用GISAXS研究薄膜形貌的方法在过去十年中迅速发展18,21,22,23,24,25,26,27,28。通常，在对OPVs活性层干燥动力学进行原位GISAXS研究时，需使用同步辐射光源18,26,27。由于同步辐射光源能提供更优的时间分辨率和统计精度，通常优于实验室自备X射线源。然而，同步辐射设施无法日常使用，且难以集成到生产线中，因此实验室X射线源可作为优化墨水配方、涂布工艺条件以及深入理解干燥动力学物理机制的实用日常工具。使用实验室X射线源最主要的缺点是材料消耗量大。由于其X射线通量至少比同步辐射低五个数量级，因此需要更多材料才能获得足够的统计信号。因此，该技术目前尚不适用于新材料探索，尤其是在材料仅能微量获得的情况下。但对于成本低廉且易于合成的材料——这也是实现规模化生产的关键因素之一29——该方法在缩小大规模卷对卷涂布OPVs效率差距的研究中，相较于同步辐射具有明显优势10,30。
本文将指导读者开展原位掠入射小角X射线散射（GISAXS）实验，以研究适用于大规模生产有机光伏器件（OPVs）的油墨干燥动力学。文中提供了数据归约与分析的示例，并讨论了多种用于解释数据的模型。

<table><tbody><tr><td>溴代苯甲醚</td><td>Sigma Aldrich</td><td>104-92-7</td><td>&gt;99.0 %</td></tr><tr><td>二氯苯</td><td>Sigma Aldrich</td><td>95-59-1</td><td>&gt;99.0 %</td></tr><tr><td>EH-IDTBR</td><td>1-Material</td><td>BL3144</td><td></td></tr><tr><td>Eiger X 4M</td><td>DECTRIS</td><td></td><td></td></tr><tr><td>外量子效率（EQE）</td><td>PV Measurements</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Flextrode</td><td>Infinity PV</td><td>定制订单</td><td>10 mm 条带</td></tr><tr><td>电流-电压（JV）测量</td><td>Keithley + JV 软件</td><td></td><td>2000E + JV 软件</td></tr><tr><td>小型卷对卷涂布机</td><td>定制设备</td><td></td><td>旋转鼓上的狭缝模头涂布机</td></tr><tr><td>O-IDTBR</td><td>1-Material</td><td>DW4076P</td><td></td></tr><tr><td>P3HT</td><td>1-Material</td><td>M1011</td><td>规整度 97.6 %</td></tr><tr><td>PEDOT</td><td>Sigma Aldrich</td><td>155090-83-8</td><td></td></tr><tr><td>PET 基底</td><td>AMCOR FLEXIABLES</td><td></td><td></td></tr><tr><td>银墨</td><td>CCI EUROLAM</td><td>DuPont 5025</td><td>银导体</td></tr><tr><td>注射器</td><td>Braun</td><td>Injekt</td><td></td></tr><tr><td>注射泵</td><td>Syringe pump pro</td><td></td><td></td></tr><tr><td>管路</td><td>Mikrolab Aarhus A/S</td><td></td><td></td></tr><tr><td>X 射线源</td><td>Rigaku</td><td></td><td>旋转阳极</td></tr></tbody></table>

卷对卷涂布有机太阳能电池的原位掠入射小角x射线散射实验室x射线仪器研究

In situ Grazing Incidence Small Angle X-ray Scattering on Roll-To-Roll Coating of Organic Solar Cells with Laboratory X-ray Instrumentation

我们介绍了一种自主研发的原位掠入射小角X射线散射（GISAXS）实验方法，用于在沉积过程中研究有机光伏器件（OPVs）活性层的卷对卷狭缝涂布干燥动力学。本研究以P3HT:O-IDTBR和P3HT:EH-IDTBR体系为重点，尽管这两种材料的小分子受体侧链结构仅有微小差异，但其干燥动力学行为和器件性能却显著不同。本文提供了开展原位GISAXS实验的逐步操作指南，并展示了如何分析和解读实验结果。通常，此类用于研究OPV活性层干燥动力学的原位X射线实验依赖于同步辐射光源。然而，通过采用并进一步发展本文所述方法，可在日常实验条件下以较低的时间和空间分辨率开展实验，从而深入理解干燥油墨的形貌演化过程。

首先，本文描述了一种用于成功实施卷对卷原位实验室内掠入射小角X射线散射（GISAXS）实验以研究薄层干燥过程的方法与实验方案。根据拟合结果可以推断，Teubner-Strey模型能够成功描述P3HT:EH-IDTBR和P3HT:O-IDTBR在干燥12秒和3秒时的数据，如图10所示。
基于Teubner-Strey模型的特征长度尺度可参见 表3 相应的不确定性 表4对于全部四种拟合，最高相关长度和关联长度的域尺寸 qxy, d1 和 ξ1，接近相同的数值，范围分别为 12.0 ± 1.7 nm 到 12.5 ± 2.2 nm 以及 3.9 ± 0.4 nm 到 5.0 ± 0.4 nm。这两个特征尺寸和长度与文献中报道的 P3HT:IDTBR 和 P3HT:PCBM 干膜体相异质结的数值相似。41,42对于较大的结构， d3 和 ξ3，随着干燥，结构明显趋于增大。对于P3HT:EH-IDTBR，其尺寸从225 ± 10.3 nm增加至562 ± 11.1 nm；对于P3HT:O-IDTBR，其尺寸从241 ± 4.1 nm增加至489 ± 9.2 nm。相关长度， d2，P3HT:O-IDTBR 的数值为 30 ± 12 nm 和 34 ± 3.5 nm，P3HT:EH-IDTBR 两次实验均为 41 ± 14 nm。值得注意的是， d2 在P3HT:O.IDTBR中，干燥3秒后的效应比干燥12秒后更显著，而在P3HT:EH-IDTBR中则相反 d2 在干燥12秒后比干燥3秒后更为明显。是否 d2 溶解以贡献于所获得的信号 d1 或簇有助于 d3 本实验未确定。
根据 Teubner-Strey 的理论形式20，参数 a1,i、c1,i 和 c2,i 的特征表明，较小的长度尺度 a1,1、c1,1、c2,1、a1,2、c1,2、c2,2 对应于旋节分解早期阶段的特征，此时两种相态正在相互混合43。这与人们对给体/受体相混合形态的普遍理解一致。较大的长度尺度 a1,3、c1,3、c2,3 是微乳液的特征20，其成因是材料聚集体与溶剂之间的对比度（电子密度差异）。在本实验中，无法区分 d3 的这些特征参数究竟是源于 P3HT:O-IDTBR/溶剂、O-IDTBR/溶剂，还是 P3HT/溶剂之间的电子密度差异。
将模型拟合到X射线散射数据是一个内在的逆问题。因此，可采用多种模型来描述散射数据。在本分析中，采用了Teubner和Strey20,44提出的公式来拟合数据。该框架源于对朗道自由能的序参量展开，用于描述两相体系的散射强度。该模型的物理意义可理解为一种抽象的几何结构，代表具有特征畴尺寸和关联长度的两相体系，其中关联长度的概念源自统计力学45。
目前存在许多复杂的模型可用于预测GISAXS实验中的二维数据，并有用户友好的软件程序34,46用于此类建模。通常，BHJ的GISAXS数据采用扭曲波玻恩近似（Distorted Wave Born Approximation, DWBA）进行建模，具有很高的准确性27,40,47,48。然而，其主要缺点在于所建模的结构并不能反映BHJ中实际预期的复杂性。一种更简便的方法是将分析限制在qxy方向。当仅考虑qxy方向的一维水平线切片时，可以合理假设散射的主要贡献来源于薄膜中的横向结构。基于这一假设，可证明从水平线切片获得的动量转移等同于透射SAXS49,50，而Teubner-Strey模型正是由此推导而来20，因此适用于本文所呈现的分析。
选择该模型基于三个原因：首先，该模型为一个解析表达式，已被证实可适用于多种两相体系，包括体异质结（BHJ）20,26,51，且可用于速度极快的拟合算法，适用于大规模质量控制及原位测量。其次，据我们所知，该模型与通过透射电子显微镜（TEM）观察到的P3HT:O-IDTBR形貌相符。52 以及原子力显微镜（AFM）42第三，它是一个简单的模型，即参数空间较小。
此外，本文证明了利用实验室自建的X射线源探测非富勒烯有机太阳能电池的干燥动力学过程是可行的。同时，该方法有望成为推动大面积卷对卷涂布有机光伏器件（OPVs）研究加速的有力工具。
<img alt="有机聚合物结构示意图，突出显示用于光伏研究的P3HT及其侧链变体。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61374/61374fig01.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Figure 1"> 
图1：P3HT、O-IDTBR和EH-IDTBR的化学结构。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61374/61374fig01large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="有机光伏电池示意图；激子解离；HOMO-LUMO能级；给体-受体。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61374/61374fig02.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图2"> 
图2：（左）体异质结有机太阳能电池的工作原理。阳光产生激子，激子分离后，空穴和电子分别扩散至阴极和阳极。（右）给体与受体的HOMO和LUMO能级示意图。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61374/61374fig02large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
<img alt="JV 测量和 EQE 曲线；电流密度随电压变化；外量子效率随波长变化。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61374/61374fig03.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图 3"> 
图 3：（左）在柔性基底上通过卷对卷狭缝涂布制备的 P3HT:O-IDTBR 和 P3HT:EH-IDTBR 器件的 JV 曲线，对应于表 1 中性能最优的器件。（右）在柔性基底上通过卷对卷狭缝涂布制备的 P3HT:O-IDTBR 和 P3HT:EH-IDTBR 器件的 EQE 曲线。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61374/61374fig03large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
<img alt="聚合物共混物 P3HT:O-IDTBR 与 P3HT:EH-IDTBR 薄膜形貌对比示意图。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61374/61374fig04.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图 4"> 
图 4： 两种油墨在 PET 基底上辊涂成膜的图像。上方为 P3HT:EH-IDTBR，下方为 P3HT:O-IDTBR。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61374/61374fig04large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="光学光谱实验装置；光谱系统；激光准直。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61374/61374fig05.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图5"> 
图5：（左）微型卷对卷涂布机的图像。1. a) 和 1.b) 分别表示箔材供料辊和收料辊的旋转中心。电机位于卷对卷涂布机的背面，为步进电机。2) 涂布头的平移平台，可在三个方向上移动：沿箔材方向、上下方向以及向外和向内方向。3) 狭缝模头涂布头，可连接带有油墨的软管。4) 两个加热板，由两个箭头指示，用于将移动的基底加热至所需温度。本实验中设定为 60 °C。所有部件均通过远程控制。（右）安装在GISAXS装置上的卷对卷涂布机。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61374/61374fig05large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="超快激光光谱装置、光学激发方法、瞬态吸收分析、实验室设备。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61374/61374fig06.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图6"> 
图6： 倾斜入射小角X射线散射实验装置示意图。1) X射线源为Rigaku公司生产的旋转阳极，采用铜制旋转阳极，在36 kV、36 mA条件下运行。2) 光学部分，来自旋转阳极的Cu Kα特征荧光经单次反射多层膜镜衍射，使光束在波长λ=1.5418 Å处实现单色化。3) 衰减器站，本实验未使用。4) 准直部分，由三个依次排列的针孔组成，如图中三个箭头所示，针孔直径分别为0.75 mm、0.3 mm和1.0 mm。5) 连接在垂直移动轴和测角仪上的微型卷对卷涂布装置位置，用于控制入射角。6) 真空飞行管。7) Eiger 4M探测器。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61374/61374fig06large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="直接束与反射束的X射线散射数据；Eiger 4M 数据；热图分析。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61374/61374fig07.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图7"> 
图7： 对准过程中的三个步骤，以原始 Eiger 4M 数据形式展示。（左）首先，确保没有物体遮挡直接束。在此示例中，光束挡板位于直接束的左下方。（中）沿垂直轴扫描样品，并将其放置在恰好遮挡一半直接束的位置。然后旋转样品，逐步改变入射角，并将样品调整至直接束强度最高的位置。此过程需重复3–5次，以确保样品完全与光束平行。（右）旋转样品，直至探测器上出现清晰的反射信号。根据这两个位置，可计算出精确的入射角（见正文）。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61374/61374fig07large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
<img alt="静态平衡；光谱实验装置；光激发；示意图；科研设备。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61374/61374fig08.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图8"> 
图8： 从两个不同角度观察到的两个干燥阶段。（左）为湿润阶段，此时薄膜已干燥3秒，随后进行探测。（右）为干燥阶段，此时薄膜已干燥12秒。图像对比度已增强，以便观察边缘干燥效应。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61374/61374fig08large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
<img alt="X射线衍射结果；强度与qxy关系图；铝峰；晶体学分析。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61374/61374fig09.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图9"> 
图9：（左）P3HT:O-IDTBR在干燥12秒、采集时间为3000秒时的二维数据。红色矩形框标示了进行水平积分的区域，其中标记的强信号区域为铝峰，来源于加热板。（右）来自红色矩形区域的水平积分结果，积分过程中已忽略铝峰对应的q矢量。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61374/61374fig09large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="EH-IDTBR 和 O-IDTBR 原位实验的强度与 q_xy 关系图，用于瞬态分析。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61374/61374fig10.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图 10"> 
图 10： 四组实验的分箱水平线积分结果：P3HT:EH-IDTBR（黑色）和 P3HT:O-IDTBR（蓝色），分别在干燥 12 秒（三角形）和 3 秒（方形）时进行探测，并包含 Teubner-Strey 拟合曲线。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61374/61374fig10large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td></td>
			<td>干燥时间 (s)</td>
			<td>测量时间 (s)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>P3HT:O-IDTBR</td>
			<td>3.0</td>
			<td>2732</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>P3HT:O-IDTBR</td>
			<td>12</td>
			<td>3000</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>P3HT:EH-IDTBR</td>
			<td>3.0</td>
			<td>3000</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>P3HT:EH-IDTBR</td>
			<td>12</td>
			<td>3000</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>
表1：基于P3HT:O-IDTBR和P3HT:EH-IDTBR的1 cm2有机太阳能电池的光电特性，显示在100 mW/cm2光照条件下的功率转换效率（PCE）、短路电流密度（JSC）、填充因子（FF）和开路电压（VOC）。
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td colspan="2">P3HT:EH-IDTBR</td>
			<td>光化学效率（PCE） 
			(%)</td>
			<td>JSC 
			（mA/cm²）2)</td>
			<td>FF 
			(%)</td>
			<td>VOC 
			(mV)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>1</td>
			<td>2.20</td>
			<td>5.32</td>
			<td>59.43</td>
			<td>0.70</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>2</td>
			<td>1.81</td>
			<td>4.53</td>
			<td>56.97</td>
			<td>0.70</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>3</td>
			<td>1.97</td>
			<td>4.83</td>
			<td>57.55</td>
			<td>0.71</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>4</td>
			<td>2.17</td>
			<td>5.10</td>
			<td>60.00</td>
			<td>0.71</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>5</td>
			<td>2.18</td>
			<td>5.28</td>
			<td>58.49</td>
			<td>0.71</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>平均值</td>
			<td>2.07</td>
			<td>5.01</td>
			<td>58.49</td>
			<td>0.70</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>样本标准差</td>
			<td>0.15</td>
			<td>0.30</td>
			<td>1.13</td>
			<td>0.00</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td colspan="2">P3HT:O-IDTBR</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>1</td>
			<td>3.38</td>
			<td>7.95</td>
			<td>60.48</td>
			<td>0.72</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>2</td>
			<td>3.33</td>
			<td>7.75</td>
			<td>60.36</td>
			<td>0.71</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>3</td>
			<td>2.97</td>
			<td>7.19</td>
			<td>58.72</td>
			<td>0.70</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>4</td>
			<td>3.20</td>
			<td>7.48</td>
			<td>60.15</td>
			<td>0.71</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>5</td>
			<td>3.24</td>
			<td>7.54</td>
			<td>60.68</td>
			<td>0.71</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>平均值</td>
			<td>3.22</td>
			<td>7.58</td>
			<td>60.08</td>
			<td>0.71</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>样本标准差</td>
			<td>0.14</td>
			<td>0.26</td>
			<td>0.70</td>
			<td>0.00</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>
表2： 数据概览。P3HT:O-IDTBR 在干燥时间为 3.0 s 的条件下，因注射泵故障在 2732 s 时停止。
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>拟合值</td>
			<td>d1 [nm]</td>
			<td>ξ1 [nm]</td>
			<td>d2 [nm]</td>
			<td>ξ2 [nm]</td>
			<td>d3 [nm]</td>
			<td>ξ3 [nm]</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>EH-IDTBR 12s</td>
			<td>12.2</td>
			<td>4.7</td>
			<td>41</td>
			<td>22</td>
			<td>562</td>
			<td>20</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>EH-IDTBR 3s</td>
			<td>12.0</td>
			<td>5.0</td>
			<td>41</td>
			<td>17</td>
			<td>225</td>
			<td>18</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>O-IDTBR 12s</td>
			<td>12.4</td>
			<td>4.8</td>
			<td>34</td>
			<td>32</td>
			<td>489</td>
			<td>16</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>O-IDTBR 3s</td>
			<td>12.5</td>
			<td>3.9</td>
			<td>30</td>
			<td>18</td>
			<td>241</td>
			<td>13</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>
表3： 四次实验的拟合值。所有单位均为 [nm]。
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>误差</td>
			<td>d1 [nm]</td>
			<td>ξ1 [nm]</td>
			<td>d2 [nm]</td>
			<td>ξ2 [nm]</td>
			<td>d3 [nm]</td>
			<td>ξ3 [nm]</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>EH-IDTBR 12s</td>
			<td>1.4</td>
			<td>0.2</td>
			<td>10</td>
			<td>3.2</td>
			<td>11.1</td>
			<td>1.7</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>EH-IDTBR 3s</td>
			<td>1.7</td>
			<td>0.4</td>
			<td>14</td>
			<td>2.1</td>
			<td>10.3</td>
			<td>1.9</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>O-IDTBR 12s</td>
			<td>2.1</td>
			<td>0.3</td>
			<td>3.5</td>
			<td>2.7</td>
			<td>9.2</td>
			<td>1.5</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>O-IDTBR 3s</td>
			<td>2.2</td>
			<td>0.4</td>
			<td>12.0</td>
			<td>1.3</td>
			<td>4.1</td>
			<td>0.6</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>
表4： 四次实验拟合值的标准差。所有单位均为 [nm]。

本文演示并指导如何在实验室X射线仪器上开展和分析卷对卷狭缝涂布的非富勒烯有机光伏材料上墨水干燥过程的原位掠入射小角X射线散射（GISAXS）实验。

卷对卷涂布有机太阳能电池的原位掠入射小角X射线散射实验室X射线仪器研究

我们介绍了一种自主研发的原位掠入射小角X射线散射（GISAXS）实验方法，该方法用于研究卷对卷工艺中液体干燥的动力学过程……

本方案使我们能够在本实验室对有机太阳能电池的光敏层进行原位掠入射小角X射线散射（GISAXS）研究，而此类研究原本仅能在大型同步辐射设施中开展。通过使用原位掠入射小角X射线散射技术，我们可以在与大规模涂布工艺相似的条件下，研究给体-受体共混态的结构演化过程。卷对卷狭缝涂布过程将在GISAXS装置外部进行演示操作。后续将进一步整合至GISAXS系统中，以展示完整的实验流程。进行狭缝涂布时，将18米长的PET基底薄膜卷绕到进料辊上，并将基底的自由端连接至收卷辊。运行薄膜0.2米以拉紧基底，并将卷对卷装置的第一块加热板设置为60摄氏度，第二块加热板设置为80摄氏度，以确保薄膜在收卷至收卷辊时已干燥。当加热板稳定约15分钟后，将装有2.2毫升卷对卷涂布油墨的3毫升注射器安装到注射泵上，并将注射器连接至狭缝涂布头的管道。 调节水平平移台，使涂布头靠近第一块加热板的末端，并将弯月面导引装置置于基底上方约五毫米处，然后将注射泵设置为流速0.08毫升每分钟、注射器直径12.7毫米。为控制活性层的厚度，可根据公式调节流速和基底移动速度，其中w为薄膜宽度，ρ为油墨中材料的密度。参数设置完成后，手动从注射器中挤出油墨并通过软管输送，在油墨距离涂布头约一厘米时停止。当弯月面导板位于基底上方5毫米处时，启动注射泵。当液滴润湿整个弯月面导板宽度后，立即降低涂布头使墨水润湿基底，并将弯月面导板升至涂布位置，即基底上方2毫米处，随后启动卷绕基底的电机，开始用墨水进行涂布。停止涂布时，关闭泵和移动的基底，并将涂布头抬升至基底上方约20毫米处。进行GISAXS实验时，将小型卷对卷涂布机固定在测角仪上，并将带有卷对卷涂布机的测角仪安装在样品位置的光学平台上。将三根电机电缆和测角仪样品台固定在平台上，并将飞行管尽可能靠近小型卷对卷涂布机放置。将样品与涂布机对齐，将10厘米长的油墨涂覆到样品上，然后将薄膜卷至光束位置。为使样品与入射光束平行对准，需扫描样品在不同垂直位置和入射角下直接光束的总强度，并利用公式计算探测器上反射光束的角度，从而将样品调整至0.2度的入射角。为优化反射光束的强度，使用0.2度的入射角扫描样品高度。在探测器前方安装光束挡板，以延长探测器寿命，并使用圆形光束挡板遮挡直接光束。使用点式抽吸装置去除蒸发溶剂中的所有气体。将装有 2.2 毫升墨水的 3 毫升注射器安装到注射泵上。将涂布头沿箔材移动方向置于距 X 射线束 120 毫米处，以确保 12 秒的干燥时间。当涂布头就位后，将弯月面导板置于基底上方5毫米处，并启动注射泵。当弯月面导板的整个宽度被润湿后，立即降低涂布头，使墨水润湿基底，随后将弯月面导板抬升至涂布位置，即基底上方2毫米处。当导板就位后，启动收卷基底的电机，开始涂布墨水。使用相机监测涂层薄膜的质量，观察薄膜在基底上是否出现去润湿效应以及弯月面错位现象。根据拟合结果可以推断，Teubner-Strey 模型能够成功描述 P3HTEH-IDTBR 和 P3HT O-IDTBR 在 12 秒和 3 秒干燥时间下的数据。在这些表格中，可以观察到基于 Teubner-Strey 模型得出的特征长度尺度及其相应的误差。在全部四种拟合中，最大散射矢量下的畴尺寸和相关长度均接近相同值。对于大尺寸结构，随着干燥过程的进行，结构明显趋于增大。值得注意的是，P3HTO-IDTBR在干燥3秒后的相关长度比干燥12秒后更显著；而P3HTEH-IDTBR的相关长度则在干燥12秒后比干燥3秒后更显著。对于较大的结构，随着干燥过程的进行，其尺寸明显增大。通过本实验，我们揭示了EH与O-IDTBR在纳米尺度上的干燥过程存在差异。本方案可用于研究新型受体材料，并确定有助于提高柔性太阳能电池能量转换效率的涂布参数。原位X射线散射可能成为优化从半导体到生物医学工业等各领域工业流程不可或缺的工具。

in-situ-grazing-incidence-small-angle-x-ray-scattering-on-roll-to

Research

科研

JoVE Journal

Chemistry

化学

通过实验室X射线仪器对有机太阳能电池的滚滚涂层进行现场放牧小角度X射线散射

在利用自旋回波分辨掠入射散射（SERGIS）作为中子散射技术探测不规则样品中长度尺度方面已取得进展。采用SERGIS技术对[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯的微晶进行了探测，并通过光学显微镜和原子力显微镜验证了结果。...

利用中子自旋回声分辨掠入射散射技术研究有机太阳能电池材料

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。...

体异质结太阳能电池的打印制备 原位 形态学表征

两项“联合应激试验”与 原位...

原位监测太阳能电池及组件的加速性能退化：以铜铟镓硒（Cu(In,Ga)Se2）太阳能电池为例的研究

本文描述了在同步辐射光束线上进行X射线束感应电流测量的实验装置。该方法揭示了太阳能电池的纳米尺度性能，并扩展了多模态X射线显微技术的应用范围。从电路连接到信噪比优化，本文展示了如何在硬X射线微探针上开展先进的XBIC测量。...

用于太阳能电池多模式X射线显微术的X射线束诱导电流测量

本文介绍了一种利用同步辐射X射线荧光技术测定样品中金属元素含量与分布的实验方案。我们以贴壁细胞为重点，描述了用于制备此类样品的化学固定方法。随后，详细说明了如何利用同步辐射X射线对样品进行装载与成像。...

通过化学固定法为X射线荧光成像制备贴壁细胞

本文介绍了一种利用小角中子散射进行结构表征，对碳纳米管进行具有结构可调聚合物封装层的功能化方法。...

单壁碳纳米管与热可逆嵌段共聚物的功能化及其小角中子散射表征

现代实验室中的高分辨率X射线粉末衍射（XRPD）被用作一种高效工具，用于测定历史文物上已知已久的腐蚀产物的晶体结构。...

X射线粉末衍射在文物保护科学中的应用：迈向文化遗产艺术品表面腐蚀产物晶体结构的常规测定

本文演示了由美国阿贡国家实验室开发的X射线荧光拟合软件MAPS在荧光显微数据定量分析中的应用。所获得的定量数据有助于理解感兴趣样品中的元素分布及化学计量比。...

使用 MAPS 定量分析 X 射线荧光数据

本方案详细描述了在室温下用于X射线衍射数据收集的微流控器件的制备与操作方法。此外，还介绍了如何通过动态光散射监测蛋白质结晶过程，以及如何处理和分析所获得的衍射数据。...

微流控芯片用于 原位 晶体X射线衍射与 原位 用于序列晶体学的动态光散射

本文介绍了一种在天然结合伴侣存在的条件下提取周质过渡金属分子伴侣并利用X射线荧光和放射性金属摄取技术对其底物含量进行生物物理表征的实验方案。...

革兰氏阴性细菌中必需金属的吸收：X射线荧光、放射性同位素与细胞组分分离

了解原位掠入射小角X射线散射技术，用于研究有机太阳能电池活性层在卷对卷狭缝涂布过程中的结构演变。该方法可优化涂层参数，提高柔性太阳能电池的光电转换效率。

卷对卷涂布有机太阳能电池的原位掠入射小角X射线散射实验室X射线仪器研究

探索更多视频