Name: Printing Herstellung von Bulk-Heterosolarzellen und In Situ Morphologie Charakterisierung (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-01-29T14:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 32 s
Description: Erfahren Sie die Herstellung organischer Dünnschicht-Solarzellen mittels Mini-Slot-Die-Coating und die In-situ-Morphologiecharakterisierung mit Synchrotron-Streutechniken. Diese Methode verbindet industrielle Prozesse mit Materialwissenschaft.

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Diese Arbeit wurde unterstützt von Polymer-Based Materials for Harvesting Solar Energy (PHaSE), einem Energy Frontier Research Center, das vom U.S. Department of Energy, Office of Basic Energy Sciences unter der Fördernummer DE-SC0001087 und dem U.S. Office of Naval Research unter dem Vertrag N00014-15-1-2244 finanziert wurde. Teile dieser Forschung wurden an den Beamlines 7.3.3 und 11.0.1.2 an der Advanced Light Source des Lawrence Berkeley National Laboratory durchgeführt, die vom DOE, dem Office of Science und dem Office of Basic Energy Sciences unterstützt wurde.

1. Photon aktive Mischung Tintenherstellung <ol><li> Wiegen 10 mg DPPBT Polymer und 10 mg PC 71 BM Material (chemische Strukturen in Figur 1 gezeigt). Mischen Sie sie in einem 4-ml-Fläschchen. </li><li> 1,5 ml Chloroform und 75 ul 1,2-Dichlorbenzol in die Mischung. </li><li> Setzen Sie einen kleinen Rührstab in das Fläschchen, schließen Sie das Fläschchen mit einem Polytetrafluorethylen (PTFE) Kappe, und übertragen Sie die Fläschchen auf einer heißen Platte. Rühre bei ~ 400 Upm und Wärme bei ~ 50 ° C über Nacht vor dem Gebrauch. </li></ol> 2. ITO und Wafer-Substrat Reinigung und Vorbereitung <ol><li> Laden Indium - Zinn - Oxid (ITO) Glassubstrat (1 Zoll von 3 Zoll, wobei die Hälfte ITO entfernt) vorge gemustert oder Silizium - Wafer in eine Teflon Reinigung Rack und setzen Sie das Rack in einen Glasbehälter (Abbildung 2). In verdünnten Reinigungslösung (300 ml, 1% Universal-Reinigungslösung) in den Glasbehälter und setzen Sie den Glasbehälter in Beschallungsgerät und beschallen für 15 min.</li><li> Entfernen Sie die Reinigungsmittel und spülen Sie das ITO-Glas mit deionisiertem (DI) Wasser ein paar Mal. Dann fügen Sie 300 ml DI-Wasser in den Behälter, und setzen Sie den Glasbehälter in Beschallungsgerät für weitere 15 Minuten. </li><li> Entfernen des Wassers aus dem Behälter. Hinzufügen von 300 ml Aceton in den Behälter und beschallen für 15 min. </li><li> Entfernen Sie das Aceton. In 300 ml 2-isopranol in den Glasbehälter, und dann für 15 min beschallen. </li><li> Bewegen Sie die Reinigung in einen Ofen Rack aus. Stellen Sie die Ofentemperatur auf 100 ° C, und warten Sie 3-5 Stunden, bis das ITO-Glas vollständig getrocknet wird. </li><li> Nehmen Sie gereinigten Substrate. Bringen Sie sie in eine UV-Ozon-Reiniger oder Sauerstoff-Plasma-Reiniger. Verwenden Sie High-Power-UV-Ozon oder Plasma zu reinigen für ~ 15 min nach dem Protokoll des Herstellers. </li><li> Setzen Sie das gereinigte Substrat auf einen Spin-Coater, fügen Sie 150 ul Poly (3,4-ethylendioxythiophen) Polystyrolsulfonat (PEDOT: PSS) Lösung auf das gereinigte Substrat und Schleuderbeschichtung bei 3000 Umdrehungen pro Minute zu beschichtena ~ 30 nm dicken PEDOT: PSS (PEDOT: PSS 4083) Dünnfilm entweder auf die ITO-Glas oder Silizium-Wafern. </li><li> Take off Spin-beschichtete Substrate. Übertragen Sie die frisch beschichtete Substrate auf einer Heizplatte und Glühen bei 150 ° C für 15 min. </li></ol> 3. Aktive Ebene Druck <ol><li> Last Substrat. Setzen Sie die PEDOT: PSS beschichtete ITO-Substrat auf die Grundplatte des Minischlitzdüsenbeschichtungsvorrichtung. Einschalten der Vakuumpumpe, die mit dem Vakuumspannfutter des Schlitzdüsenbeschichtungsvorrichtung verbunden ist, um das Substrat fest zu halten. (Siehe Abbildung 3 auf verschiedene Komponenten finden.) </li><li> Stellen Sie die Position des Substrats, um es direkt unter Druckkopf. Dies kann durch Verwendung der Linearmanipulator unterhalb der Substratplatte durchgeführt werden. </li><li> Stellen Sie den Kopf kippen mit der 2-D Neigungs Manipulator, der den Druckkopf hält. Stellen Sie sicher, dass der Kopf steht senkrecht auf der Oberseite des geladenen Substrats. Beachten Sie, dass in diesem Prozess kann der Druckkopf abgesenkt werden nahe der Substrate. Verwenden Sie den Abstand zwischen Druckkopf und Substrat zu zeigen, ob der Kopf geneigt ist oder nicht. Dies wird sehr nützlich sein, wenn ein Wafersubstrat verwendet wird, da eine kleinere Bild von Druckkopf wird sich zeigen, und es wird viel leichter sein, die Neigung zu überprüfen. </li><li> Stellen Sie den Kopf-an-Substrat-Abstand auf Null. Der vertikale Motor ist mit einem Kraftsensor verbunden ist. Wenn der Druckkopf schwebt, wird eine konstante Kraft Lesung (aus dem Gewicht des Druckkopfes und Kippen Manipulator Baugruppen) erhalten werden. Sobald Druckerkopfsubstrat berührt, wird das Lesen zu verringern, die Nullpositionsmarkierung. Siehe Abbildung 4 für den Schritt Entfernungseinstellung. Verwenden Sie Jog-Modus in den Abstand zu stimmen. HINWEIS: Die vertikale Manipulator translationale Platte mit seiner Basis verbunden ist Federn und die Federkonstante mit leicht variiert. So kleine Änderungen in der Kraftsensor sind während des Experiments unvermeidlich. </li><li> Stellen Sie einen Kopf-an-Substrat-Wert, das Experiment zu starten. In diesem Experiment hat dieKopfspalt auf 100 &amp; mgr; m auf das Substrat. </li><li> Stellen Sie die lineare Translationsstufenmotor, der verwendet wird, um zu drucken. Finden Sie den Startpunkt und Endpunkt. Notieren Sie diese Werte. Die Entfernung des Linearmotors ist 100 mm. Hier stellen 10 mm Motorposition als Ausgangspunkt und 80 mm Motorposition als Endpunkt. </li><li> Stellen Sie die Druckgeschwindigkeit auf 10 mm / sec durch den Motor unter Verwendung von Steuersoftware - Schnittstelle (Abbildung 4b). Stellen Sie den Motorbeschleunigungsgeschwindigkeit auf 100 m / sec. <ol><li> Wenn der Motor nicht richtig funktioniert oder die Software einen Fehler hat, starten Sie die Software und klicken Sie auf &quot;Enable&quot; und dann &quot;zu Hause&quot; in der Software-Schnittstelle. Beachten Sie, dass Verfahren während des Druckens der Druckkopf fixiert bleibt und das Substrat bewegt, um die Lösung zu verzichten und ahmen die industrielle Druckverfahren. </li></ol></li><li> Last DPPBT: PCBM-Lösung (Raumtemperatur) in 1-ml-Spritze und montieren Sie die Spritze mit dem Spritzenpumpe, die mit dem Schlitz verbunden iststerben Drucker. Stellen Sie die Druckparameter in Steuersoftware (Spritzendurchmesser und Lösungszufuhrgeschwindigkeit, 0,3 ml / min in diesem Fall). </li><li> Starten Sie den Druck Experiment. <ol><li> Bewegen Sie das Substrat zum Ausgangspunkt durch die Startpunktposition im Positionsfenster eingeben Software zu steuern. Siehe Abbildung 4c für weitere Einzelheiten. </li><li> Starten Lösung in Schlitzdüsenkopf zu pumpen, indem Sie den Start in der Spritzenpumpe Software klicken. Alternativ manuell bedienen, die Spritzenpumpe. Für jede Beschichtung wird rund ~ 100 &amp; mgr; l Lösung verwendet werden. Normalerweise verwenden 300 ul Lösung erstmals den Druck und verwenden ~ 100 &amp; mgr; l Lösung für wiederholte Druck. </li><li> Schnell die Translations Motor zu starten, wenn die Lösung aus dem Druckkopf herauskommt beginnt, und das Substrat wird in die Endposition bewegen. Bitte beachten Sie, dies ist ein wichtiger Schritt. Preload die Translationsmotor Endposition in das Positionsfenster, und drücken Sie die Eingabetaste, um den Motor zu starten movement. </li><li> Stoppen Sie die Spritzenpumpe und heben Sie den Druckkopf durch die vertikale Motor. Schalten Sie das Vakuum aus, und nehmen Sie das Substrat aus der Grundplatte. mehr als 250 &amp; mgr; l Lösung Beachten Sie, dass das Totvolumen für diesen Druckkopf 250 &amp; mgr; l ist, und somit nimmt das erste Mal mit Wasser gefüllt. </li><li> Legen Sie das bedruckte Substrat in einem Vakuumofen 3-5 Stunden restliches Lösungsmittel zu entfernen. </li><li> Legen Sie eine Petrischale unter dem Druckkopf. Die Pumpe 10 ml Chloroform in den Druckkopf, den Kopf zu reinigen. Sammeln Sie die kontaminierte Chloroform-Lösung mit der Petrischale. Verwenden Sie Wattestäbchen den Druckkopf zu reinigen, während die Reinigungslösung zu pumpen. Nach jedem Beschichtungsgang, reinigen Sie den Druckkopf, vor allem, wenn eine andere Lösung verwendet wird. HINWEIS: Die DPPBT: PCBM Lösung zeigt eine dunkelgrüne Farbe. Wenn die Reinigung abgeschlossen ist, kann keine Farbe aus dem Chloroformlösungsmittel gesehen werden. </li></ol></li></ol> 4. Kathodenelektrode Deposition <ol><li> Laden Sie dasaktive Schicht beschichtete Substrat auf Schattenmasken (5) und der Maske in die Verdampfungskammer montieren. </li><li> Legen Sie zwei thermische Verdampferschiffchen zwischen den Elektrodenbolzen (6a). Legen Sie ein Boot mit LiF Salz (kaum für das Boot, ~ 0,2 g) und ein Boot mit Aluminiummetall (4 Pellets). </li><li> Schließen der Verdampfungskammer und der Pumpe der Verdampfungskammer auf etwa 2 x 10 -6 Torr. </li><li> Stellen Sie die Kammer 1 nm LiF von 100 nm von Aluminium gefolgt abzuscheiden. Im aktuellen Fall, verwenden 20% Leistung für LiF Abscheidung und verwenden 26% Leistung für Al-Abscheidung. Gezeigt in Figur 6b ist der Verdampfer - Steuerschnittstelle des Systems in dieser Studie verwendet. </li><li> Stoppen Sie Evakuierungspumpen und füllen Sie die Kammer mit Stickstoffgas. Wenn der Druck wieder auf Atmosphärendruck, nehmen die Substrate aus. </li></ol> 5. Photovoltaik-Leistungsmessung <ol><li> Bereiten Sie einen Glasträger, die die Hälfte derBreite der ITO-Glas, das in der Bauelementherstellung verwendet wird. Führen Sie diesen Schritt in einem Handschuhkasten. Paste Epoxid - Kleber auf eine Seite des Glassubstrats, und decken den Gerätebereich mit den Epoxid - Kleber beschichtete Glasträger (siehe Abbildung 11 für die Probengerät). Wenn das Epoxid ausgehärtet ist, wird das Gerät vollständig abgedichtet werden. </li><li> Starten Sie die Sonnensimulation Lampe und setzen 1,5 Strahlung mit 100 mW / cm 2 bis AM. Stabilisieren Sie die Lampe für etwa 15 Minuten vor der Messung. Gezeigt in Figur 7 ist das PV - Messsystem in dieser Studie verwendet. </li><li> Montieren Sie das Gerät unter dem Solarsimulator am Instrument vorgeschlagen Abstand. Verbinden der Anode und der Kathode mit der Messschaltung. Aufzeichnen einer Strom-Spannungskurve mit einem elektrischen Multimeters Protokoll des Herstellers verwendet wird. </li><li> Bestimmen die Leistung der Vorrichtung wie folgt: J sc: Kurzschlussstrom, der maximale Strom , dass eine Solarzellenvorrichtung liefern kann; V oc </sub&gt;: Leerlaufspannung kann die maximale Spannung, dass eine Solarzellen-Vorrichtung liefern; FF: Füllfaktor, die maximale Fläche in IV - Kurve dividiert durch J sc * V oc; PCE: Energieumwandlungseffizienz, J sc * V oc * FF / (100mW / cm 2). </li></ol> 6. Synchrotron-Röntgenmess <ol><li> Einrichten einer Heliumkasten Luftstreuung in der Röntgenmessung zu unterdrücken. Montieren Sie den Mini-Slot-Die-Coater in den Helium Box. Gezeigt in der Abbildung 8 ist der Versuchsaufbau von streifenden Einfall Röntgenbeugungsexperimenten ein Helium - Box bei Advanced Light Source verwenden. </li><li> Montieren eines optischen Interferometers auf die Druckmaschine die Dickenänderung über die Lösungsmittelverdampfung zu überwachen. In diesem Experiment verwenden , um ein UVX Modell (zB Filmetrix F20). Die Materialien, die in diesem Experiment verwendet werden, haben eine starke Lichtabsorption von 300 bis 900 nm Wellenlänge. <ol><li> Verwenden Sie eine Quellenlampe des optischen Interferometers thbei vermeidet Materialabsorption. Verwenden Sie eine 1,100-1,700 nm Wellenlänge Lampe in diesem Experiment. Pre-Kalibrierung des Instruments, bevor Experiment nach ihrer Betriebsabläufe. </li></ol></li><li> Setzen Sie die PEDOT: PSS beschichtete Wafersubstrat auf Substrathalter des Druckers und stellen Sie den Kopf und Substratposition folgenden Schritt 3,2-3,5. Schalten Sie die Vakuumpumpe und stellen Sie sicher, dass das Wafersubstrat fest an dem Substrathalter klebt. </li><li> Spülen Sie die Helium Box Luft zu entfernen. Man beachte, dass Sauerstoffgehalt sollte weniger als 0,3% v, die durch Sauerstoffsensor überwacht werden kann. </li><li> Ausrichten des Substrats an der Position, wo die Röntgenstrahlen auf das Substrat (die Endposition in Druck) und stellen die Einfallswinkel, 0,16 ° in diesem Fall trifft. Richten Sie nach Beamline-Protokoll. </li><li> Stellen Sie die Röntgenbelichtungszeit und Datenerfassungsmethode. Hier verwenden 2 Sek wie die Belichtungszeit, und um 3 Sek der Verzögerungszeit folgte (auf Server Strahlschäden zu vermeiden). Somit wird jeder Versuch Zeitraum wirdsein 5 Sek. Führen Sie eine kontinuierliche Warteschlange von 100 Wiederholungen; also 100 Bilder aufnehmen. </li><li> Nennen Sie das Experiment, und wählen Sie den Datenpfad experimentelle Dateien zu speichern. Gezeigt in der Abbildung 9 ist der Advanced Light Source - Strahlrohr 7.3.3 Benutzeroberfläche , wo die oben genannten Einstellungen können leicht entfernt werden. </li><li> Bewegen des Substrats in die Ausgangsposition durch die Startposition in Motorsteuerungssoftware eingeben. Starten Sie den X-ray Shutter und der Detektor kontinuierlich Beugung / Streuung Signale aufzuzeichnen. </li><li> Starten Sie die Spritzenpumpe Lösung in Druckkopf zuzuführen. Wenn die Lösung aus dem Druckkopf auszustoßen beginnt (von einer Überwachungskamera überwacht), schnell den Druckvorgang zu starten. HINWEIS: Wenn die vorgewählten Messposition erreicht ist, 2-D-Detektor wird das Streusignal aus der Lösung zu erfassen. Die Filmdicke wird durch Interferometer überwacht werden. So ist die dünne Evolution Filmmorphologie wird aufgezeichnet. </li><li> Heben Sie den DruckerKopf und den Kopf reinigen, wenn Experiment durchgeführt wird. </li></ol>

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</ol>

Die Autoren haben nichts offenzulegen.

Das hier beschriebene Verfahren konzentriert sich eine Filmherstellungsverfahren zu entwickeln, das leicht skaliert in der industriellen Produktion werden kann. Dünnfilmdruck und Synchrotron Morphologie Charakterisierung sind die kritischsten Schritte mit dem Protokoll. In früheren Labor skaliert OPV Forschung wird Spin-Coating als die dominierende Methode zur Dünnschichtvorrichtungen herzustellen. Jedoch verwendet dieses Verfahren hohe Zentrifugalkraft, um sich auszubreiten BHJ-Lösung, die aus der industriellen Basis R...

Organische Photovoltaik (OPV) sind eine vielversprechende Technologie kosteneffizienter erneuerbarer Energien in naher Zukunft herzustellen. 1, 2, 3 Enorme Anstrengungen unternommen wurden , photoaktive Polymere und Herstellung hocheffizienten Geräte zu entwickeln. Bisher wurden einschichtige OPV Geräte eine&gt; 10% Wirkungsgrad der Leistungsumwandlung (PCE) erreicht. Diese Wirkungsgrade wurden im Labormaßstab Geräte unter Verwendung von Spin-Coating erreicht, den Film zu erzeugen und die Translation zu größeren Größenskala Geräte hat voll gewesen mit erheblichen Verringerungen der PCE. 4, 5 in der Industrie, Rolle-zu-Rolle (R2R) ist Dünnschicht basierende Beschichtung zu erzeugen Photonen aktiven Dünnschichten auf leitfähige Substrate verwendet werden, die ganz verschieden von typischen im Labormaßstab Prozessen, insbesondere in der Rate der Entfernung des Lösungsmittels. Dies ist kritisch, da die Morphologien sind kinisch gefangen, aus dem Zusammenspiel zwischen mehreren kinetischen Prozesse, einschließlich Phasentrennung, Ordnung, Orientierung und Lösungsmittelverdampfung. Obwohl 6, 7 Diese kinetisch eingeschlossener Morphologie, bestimmt weitgehend die Leistungsfähigkeit der Solarzelle Geräte. Damit der Morphologie während des Beschichtungsprozesses die Entwicklung zu verstehen, ist von großer Bedeutung für die Morphologie manipulieren, um die Leistung zu optimieren. Die Optimierung der Morphologie erfordert die Kinetik Verständnis mit der Ordnung des löcherleitenden Polymeren in Lösung assoziiert als Lösungsmittel entfernt wird; 8, 9 die Quantifizierung der Wechselwirkung des Polymers mit dem Fullerenbasierte Elektronenleiter; 10, 11, 12 , die Rollen von Additiven bei der Definition der morpho Verständnislogie; 13, 14, 15 und die relativen Raten der Verdampfung des Lösungsmittels (e) und Zusatzstoffe auszugleichen. 16 Es war eine Herausforderung , die Entwicklung der Morphologie quantitativ in der aktiven Schicht in einem industriell relevanten Einstellung zu charakterisieren. Roll-to-Roll-Verarbeitung ist für die Herstellung von großen OPV-Geräte untersucht. 4, 17 jedoch Diese Studien wurden in einer Herstellungseinstellung durchgeführt , wobei große Mengen an Materialien verwendet werden, wirkungsvoll Studien handelsübliche Polymere begrenzen. In diesem Dokument werden die technischen Details der OPV Vorrichtungen Herstellen eines Minischlitzdüsenbeschichtungssystem demonstriert. Beschichtungsparameter wie Filmtrocknungs Kinetik und Filmdickensteuerung sind auf größeren Maßstab Prozesse, so dass diese Studie in direktem Zusammenhang mit der Industrie fagewährleisten maximale. Außerdem ist eine sehr kleine Menge an Material in dem Minischlitzdüsenbeschichtungsversuch verwendet, diese Verarbeitung für neue synthetische Materialien. Konstruktiv kann dies Minischlitzdüsenbeschichtungsvorrichtung auf Synchrotron Endstationen montiert werden und somit streifendem Einfall Kleinwinkel-Röntgenstreuung (GISAXS) und Röntgenbeugung (GIXD) verwendet werden können Echtzeit-Studien über die Entwicklung zu ermöglichen, der Morphologie über einen breiten Bereich von Längenskalen in verschiedenen Stadien der Filmtrocknungsprozess unter einer Reihe von Verarbeitungsbedingungen. Information in diesen Studien erhaltenen kann direkt an einem industriellen Fertigungseinstellung übertragen werden. Die geringe Menge der verwendeten Materialien ermöglicht eine schnelle Screening einer großen Anzahl von photoaktiven Materialien und deren Mischungen unter verschiedenen Verarbeitungsbedingungen. Die halbkristallinen Diketopyrrolopyrrol und Quaterthiophen (DPPBT) basierten Low-Band konjugierten Polymeren wird als Modell Spendermaterial und (6,6) -phenyl C71-butyri verwendetc säuremethylester (PC 71 BM) als Elektronenakzeptor verwendet. 18, 19 Es ist in früheren Studien gezeigt , dass DPPBT: PC 71 BM - Mischungen große Phasentrennung bilden , wenn Chloroform als Lösungsmittel verwendet wird . A: Chloroform: 1,2-Dichlorbenzol Lösungsmittelgemisch, um die Größe der Phasentrennung zu verringern und somit die Leistung der Vorrichtung erhöhen. Die Morphologie Bildung während des Lösungsmitteltrocknungsprozess wird durch streifendem Einfall Röntgen in situ untersucht Beugung und Streuung. Solarzellen Vorrichtungen hergestellt unter Verwendung der Mini-Schlitzdüsenbeschichtungsvorrichtung mit einem durchschnittlichen PCE von 5,2% zeigte die besten Lösungsmittelgemisch Bedingungen mit, 20 , die ähnlich ist Spin-Beschichtung hergestellten Vorrichtungen. Der Minischlitz Schmelzbeschichter öffnet eine neue Route Solarzellenvorrichtungen in einer Forschungslaborumgebung herzustellen, die einen industriellen Prozess nachahmt, eine Lücke in der Vorhersage der Überlebensfähigkeit dieser Materialien in einem industriell rel Befüllenvanten Einstellung.

<table><tbody><tr><td>PC71BM</td><td>Nano-C Inc</td><td>nano-c-PCBM-SF</td><td></td></tr><tr><td>DPPBT</td><td>Die Universität von Massachusetts</td><td>Maßgeschneidertes</td><td></td></tr><tr><td>PEDOT:PSS</td><td>Heraeus</td><td>P VP Al 4083</td><td></td></tr><tr><td>Mucasol Flüssigreiniger</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>Z637181</td><td></td></tr><tr><td>Aceton</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>270725</td><td></td></tr><tr><td>Isopropylalkohol</td><td>BDH</td><td>BDH1133</td><td></td></tr><tr><td>Chloroform</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>372978&nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>1,2-Dichlorbenzol</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>240664</td><td></td></tr><tr><td>Lithiumfluorid</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>669431</td><td></td></tr><tr><td>Aluminium</td><td>Kurt Lesker</td><td>EVMAL50QXHD</td><td></td></tr><tr><td>Glasfläschchen</td><td>Fisher Scientific</td><td>03-391-7B</td><td></td></tr><tr><td>Ultraschallreiniger</td><td>Cleanosonic</td><td>Branson 2800</td><td></td></tr><tr><td>Backofen</td><td>WVR</td><td>414005-118</td><td></td></tr><tr><td>Reinigungsgestell</td><td>Lawrence Berkeley National Lab</td><td>Custom</td><td></td></tr><tr><td>Made Shadow Mask</td><td>Lawrence Berkeley National Lab</td><td>Custom Made</td><td></td></tr><tr><td>UV-Ozone Cleaner UVOCS</td><td>INC</td><td>T16X16 OES</td><td></td></tr><tr><td>Handschuhfach</td><td>MBraun</td><td>Custom Made</td><td></td></tr><tr><td>Verdampfer</td><td>MBraun</td><td>Custom Made</td><td></td></tr><tr><td>Slot Die Beschichter</td><td>Jema Science Inc</td><td>Custom Made</td><td></td></tr><tr><td>Solar Simulator</td><td>Newport</td><td>Klasse ABB</td><td></td></tr><tr><td>Spin Coater</td><td>SCS Ausrüstung</td><td>SCS G3</td><td></td></tr><tr><td>Heizplatte</td><td>Thermo Scientific</td><td>SP131015Q</td><td></td></tr><tr><td>Röntgenmessung</td><td>Lawrence Berkeley National Lab</td><td>Beamline 7.3.3</td><td></td></tr></tbody></table>

printing herstellung von bulk-heterosolarzellen und in situ morphologie charakterisierung

Printing Fabrication of Bulk Heterojunction Solar Cells and In Situ Morphology Characterization

Polymerbasierte Materialien sind vielversprechend als kostengünstige, flexible, effiziente Photovoltaik-Bauelemente. Bei den meisten Laborbemühungen zur Herstellung von Hochleistungsgeräten wurden Geräte verwendet, die durch Schleuderbeschichtung hergestellt wurden, ein Verfahren, das für die Herstellung in großem Maßstab nicht geeignet ist. Diese Diskrepanz bei der Herstellung von Geräten macht es schwierig, die im Labor erzielten quantitativen Ergebnisse auf kommerzielles Niveau zu übertragen, was die Optimierung erschwert. Mit einem Mini-Slot-Die-Coater kann diese Diskrepanz behoben werden, indem der kommerzielle Prozess auf das Labor übertragen und die Strukturbildung in der aktiven Schicht des Geräts in Echtzeit und in situ charakterisiert wird, während Filme auf ein Substrat aufgetragen werden. Die Evolution der Morphologie wurde unter verschiedenen Bedingungen charakterisiert, was es uns ermöglichte, einen Mechanismus vorzuschlagen, durch den sich die Strukturen bilden und wachsen. Dieser Mini-Slot-Die-Coater bietet einen einfachen, bequemen und materialeffizienten Weg, mit dem die Morphologie in der aktiven Schicht unter industriell relevanten Bedingungen optimiert werden kann. Das Ziel dieses Protokolls ist es, experimentelle Details zu zeigen, wie ein Solarzellenbauelement mit einem Mini-Slot-Die-Coater hergestellt wird, sowie technische Details zur In-situ-Strukturcharakterisierung mit dem Mini-Slot-Die-Coater.

Dargestellt in Figur 3 ist der Minischlitzdüsenbeschichtungssystem. Es besteht aus einer Beschichtungsmaschine, eine Spritzenpumpe und einem zentralen Schaltkasten. Die Beschichtungsmaschine ist der wesentliche Bestandteil, der aus einer Breitschlitzdüse Kopf hergestellt ist, eine horizontale Translationsstufe und eine vertikale Translationsstufe. Die Schlitzdüsenkopf ist mit der Basis eines vertikalen Translationsmotor über ein 2-D Neigungs Manipulator montiert ist. <st...

Hier präsentieren wir ein Protokoll organischen Dünnschicht-Solarzellen herzustellen mit einem Minischlitzdüsenbeschichtungsvorrichtung und der damit verbundenen In-line-Struktur Charakterisierungen Synchrotron Streuung Techniken.

Printing Herstellung von Bulk-Heterosolarzellen und In Situ Morphologie Charakterisierung

Polymer-based materials hold promise as low-cost, flexible efficient photovoltaic devices. Most laboratory efforts to achieve high performance devices ...

Das übergeordnete Ziel dieses Experiments ist es, die Druckherstellung von organischen Dünnschichtsolarzellen zu demonstrieren und die Entwicklung der Dünnschichtmorphologie während der Lösungsmittelverdampfung zu beobachten. Diese Methode hilft bei der Beantwortung wichtiger Fragen in funktionalen Dünnschichten, wie z. B. in Dünnschichtsolarzellen und Polymerbeschichtungen. Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass industrielle Verarbeitungs- und Synchrotrontechniken gut miteinander verbunden sind, um den grundlegenden Aspekt der Materialwissenschaft zu demonstrieren.Die Implikation dieser Methode hilft dabei, die morphologische Entwicklung benachbarter dünner Schichten zu verstehen, was für die Bestimmung der endgültigen Morphologie und der Leistung des Geräts von entscheidender Bedeutung ist. Diese Technik kann uns also Informationen über die Morphologie der organischen Dünnschicht-Photovoltaik liefern. Sie könnte uns auch Informationen über andere Materialien liefern, zum Beispiel über Leuchtdioden oder funktionale Dünnschichtmaterialien.Zum Beladen des Substrats wird das vorbereitete PEDOT:PSS-beschichtete Indium-Zinnoxid-Substrat auf die Grundplatte des Mini-Schlitz-Die-Coaters gelegt. Passen Sie mit dem linearen Manipulator unter der Substratplatte die Position des Substrats so an, dass es direkt unter dem Druckkopf platziert wird. Passen Sie die Neigung des Kopfes mit dem zweidimensionalen Kippmanipulator an, der den Druckkopf hält.Stellen Sie sicher, dass der Kopf senkrecht auf dem geladenen Substrat steht. Stellen Sie den Abstand zwischen Kopf und Substrat auf Null ein. Der Vertikalmotor ist mit einem Kraftsensor gekoppelt.Wenn der Druckkopf schwebt, wird ein konstanter Kraftmesswert aus dem Gewicht des Druckkopfes und der kippbaren Manipulatorbaugruppen ermittelt. Sobald der Druckkopf das Substrat berührt, verringert sich der Messwert und markiert die Nullposition. Legen Sie einen Kopf-zu-Substrat-Wert fest, um das Experiment durchzuführen.Stellen Sie in diesem Experiment den Kopf-Substrat-Spalt auf 100 Mikrometer ein. Stellen Sie als Nächstes den linearen Translationstischmotor ein, der zum Drucken verwendet wird. Legen Sie die 10-Millimeter-Motorposition als Startpunkt und die 80-Millimeter-Motorposition als Endpunkt fest.Stellen Sie die Druckgeschwindigkeit über die Softwareschnittstelle zur Motorsteuerung auf 10 Millimeter pro Sekunde ein. Stellen Sie die Beschleunigungsgeschwindigkeit des Motors auf 100 Meter pro Sekunde ein. Laden Sie die OPV-Tinte in eine Ein-Milliliter-Spritze und montieren Sie die Spritze an der Spritzenpumpe, die mit dem Schlitzdrucker verbunden ist.Stellen Sie die Druckparameter in der Steuerungssoftware ein. Um das Druckexperiment zu starten, geben Sie die Position des Startpunkts in das Positionsfenster der Steuerungssoftware ein. Dadurch wird das Substrat an den Startpunkt verschoben.Beginnen Sie mit dem Pumpen der Lösung in den Schlitzdüsenkopf, indem Sie in der Spritzenpumpensoftware auf Start klicken. Starten Sie schnell den Translationsmotor, wenn die Lösung aus dem Druckkopf austritt. Das Substrat fährt in die Endposition.Stoppen Sie die Spritzenpumpe und heben Sie den Druckkopf mit Hilfe des Vertikalmotors an. Schalten Sie das Vakuum aus und nehmen Sie das Substrat von der Grundplatte. Legen Sie das bedruckte Substrat für drei bis fünf Stunden in einen Vakuumofen, um Lösungsmittelreste zu entfernen.Legen Sie dann eine Petrischale unter den Druckkopf. Pumpen Sie 10 Milliliter Chloroform in den Druckkopf, um ihn zu reinigen. Die kontaminierte Chloroformlösung mit der Petrischale auffangen.Richten Sie eine Heliumbox ein, um die Luftstreuung bei der Röntgenmessung zu unterdrücken. Montieren Sie den Mini-Slot-Die-Coater in die Heliumbox. Montieren Sie ein optisches Interferometer an der Druckmaschine, um die Dickenänderung über die Lösungsmittelverdunstung zu überwachen.Setzen Sie das PEDOT:PSS-beschichtete Wafer-Substrat auf den Substrathalter des Druckers und stellen Sie die Position des Kopfes und des Substrats wie zuvor ein. Spülen Sie die Heliumbox, um die Luft zu entfernen. Der Sauerstoffgehalt sollte weniger als 0,3% betragen, der von einem Sauerstoffsensor überwacht werden kann.Richten Sie das Substrat an der Stelle aus, an der das Röntgenlicht auf das Substrat trifft, und stellen Sie den Einfallswinkel ein, der in diesem Fall 0,16 Grad beträgt. Stellen Sie die Röntgenbelichtungszeit in der Datenerfassungsmethode ein. Verwenden Sie hier zwei Sekunden als Belichtungszeit, gefolgt von drei Sekunden Verzögerungszeit, um Schäden am Serverstrahl zu vermeiden.Jede Experimentperiode beträgt also fünf Sekunden. Führen Sie eine kontinuierliche Warteschlange von 100 Wiederholungen durch, die 100 Bilder aufnehmen. Benennen Sie das Experiment, und wählen Sie den Datenpfad zum Speichern der experimentellen Dateien aus.Bewegen Sie das Substrat in die Ausgangsposition, indem Sie die Startposition in der Motorsteuerungssoftware eingeben. Starten Sie den Röntgenverschluss, und der Detektor zeichnet kontinuierlich Beugungs- und Streusignale auf. Starten Sie als Nächstes die Spritzenpumpe, um die Lösung in den Druckkopf zu fördern.Wenn die Lösung aus dem Druckkopf auszuwerfen beginnt, wie von einer Überwachungskamera überwacht, starten Sie schnell den Druckvorgang. Wenn die vorgewählte Messposition erreicht ist, erfasst der zweidimensionale Detektor das Streusignal aus der Lösung. Die Schichtdicke wird mit einem Interferometer überwacht.Auf diese Weise wird die Entwicklung der Dünnschichtmorphologie erfasst. Heben Sie den Druckkopf an und reinigen Sie den Kopf, wenn das Experiment abgeschlossen ist. Hier ist ein ITO-Substrat zu sehen, das mit konjugierten Polymer-PCBM-Mischungen beschichtet ist.Der Film ist visuell recht flüssig. Der Anfang und das Ende der beschichteten Folie sind aufgrund des gebildeten Meniskus und der Trocknung von den Rändern her nicht immer gleichmäßig. Das frisch beschichtete Substrat wird schließlich in Schattenmasken geladen.Die Maske wird in einen Verdampfer geladen, um die Kathodendünnschicht abzuscheiden. Hier ist ein fertiges Gerät nach der Kathodenschichtabscheidung dargestellt. Die Geräteleistung wird mit einem Sonnensimulator unter 100 Milliwatt pro Quadratzentimeter gemessen.Hier ist eine repräsentative Stromspannungskurve eines mit Mini-Schlitz beschichteten Geräts. Für schlitzbeschichtete Bauelemente wird ein durchschnittlicher Wirkungsgrad von 5,2 % erreicht, der nahe an dem liegt, der durch Schleuderbeschichtung erreicht wird. Diese Abbildung stellt ein typisches In-situ-Experiment mit streifendem Einfall und kleiner Winkelstreuung während der Lösungsmitteltrocknung dar.Die Zeitentwicklung ist farbcodiert. In der früheren Phase der Trocknung, in der ein Überschuss an Lösungsmittel vorhanden war, ist eine rote Streukurve zu sehen und die Mischungen gut gemischt. Ein Streupeak entwickelte sich allmählich bei etwa 0,02 inversen Ångström, was auf einen Phasenabstand von etwa 60 Nanometern hinweist.In Verbindung mit den Ergebnissen der In-situ-Röntgenbeugung zeigen diese Informationen die Kinetik der Polymerkristallisation und der Phasentrennung. Einmal gemeistert, kann diese Technik in etwa fünf Minuten durchgeführt werden, wenn sie richtig durchgeführt wird. Bei diesen Experimenten ist es wichtig, sich daran zu erinnern, dass wir für jedes materielle System den idealen Zustand finden müssen.Dies muss für jedes Experiment optimiert werden. Diese Methode ebnete den Forschern im Bereich der Dünnschichtsolarzellen den Weg, um die Struktur- und Eigenschaftsbeziehungen in der industriellen Fertigung zu erforschen. Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein sehr gutes Verständnis dafür haben, wie man ein In-situ-Druckexperiment an einer Synchrotron-Beamline durchführt.

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Research

Forschung

JoVE Journal

Engineering

Ingenieurwesen

Es wurden Fortschritte bei der Verwendung von Spin-Echo-aufgelösten Weideinzidenzstreuung (SERGIS) als Neutronenstreuungstechnik zur Untersuchung der Längenskalen in unregelmäßigen Proben erzielt. Crystallite von [6,6]-Phenyl-C61-Buttersäuremethylester wurden mit der SERGIS-Technik untersucht und die Ergebnisse durch optische und atomare Kraftmikroskopie bestätigt.

Mit Neutron Spin Echo Gelöste Grazing Incidence Scattering zur Untersuchung organischer Solarzellenmaterialien

Zinnsulfid (SnS) ist ein Kandidatenmaterial für erdreichliche, ungiftige Solarzellen. Hier demonstrieren wir das Herstellungsverfahren der SnS-Solarzellen unter Verwendung der Atomlagenabscheidung, die einen zertifizierten Wirkungsgrad von 4,36 % ergibt, und der thermischen Verdampfung, die 3,88 % ergibt.

Erstellen Rekordeffizienz SnS Solarzellen durch thermische Verdampfung und Atomic Layer Deposition

Die Herstellung von kontrastreichen Gittern als paralleles spektrumspaltendes dispersives Element in einer konzentrierten Photovoltaikanlage wird demonstriert. Herstellungsprozesse wie Nanoimprint-Lithographie, TiO2-Sputtern und reaktives Ionenätzen werden beschrieben. Die Ergebnisse der Reflexionsmessung werden zur Charakterisierung der optischen Leistung verwendet.

Herstellung von High Contrast Roste für die Spectrum Splitting dispersives Element in einer konzentrierten Photovoltaik-Anlage

Eine praktikable Transferdruck-basierte Methode zur Einführung plasmonischer Metallnanostrukturen in Solarzellen wird beschrieben.  Unter Verwendung von Nanosäulen-Poly(dimethylsiloxan)-Stempeln wurde ein Ag-basiertes geordnetes Nanodisk-Array in standardmäßige hydrierte mikrokristalline Si-Solarzellen integriert, was zu einer verbesserten Geräteleistung aufgrund des plasmonischen Lichteinfangs führte.

Integration of Light Trapping Silber-Nanostrukturen in Hydrogenated Microcrystalline Silicon Solar Cells durch Transferdruck

Diese Arbeit untersucht die Eignung des Tintenstrahldrucks für die Herstellung von farbstoffsensibilisierten Solarzellen. Eine bindemittelfreie TiO2-Nanopartikel-Tinte wurde formuliert und auf ein FTO-Glassubstrat gedruckt.  Die gedruckte Schicht wurde zu einer Zelle mit einer aktiven Fläche von 0,25 cm2 und einem Wirkungsgrad von 3,5 % verarbeitet.

Digitaldruck von Titandioxid für farbstoffsensibilisierte Solarzellen

Dieses Protokoll beschreibt die Synthese und die Lösungsabscheidung von anorganischen Nanokristalle Schicht für Schicht-Dünnfilm-Elektronik auf nichtleitenden Oberflächen zu erzeugen. Solvent-stabilisierten Tinten können folgende nach der Abscheidung Ligandenaustausch und Sintern komplette Photovoltaik-Anlagen auf Glassubstraten durch Spin und Spritzbeschichtung erzeugen.

Die Herstellung von Voll Lösung verarbeitet Anorganische Nanokristalline Photovoltaik-Anlagen

Verfahren zur voll bedruckbar, fullerenfreie, hochluftstabile, bulk-Heterojunction-Solarzellen auf Basis von Ti-Alkoxide als Elektronenakzeptor und dem elektronenschiebenden Polymerherstellung wird hier beschrieben. Darüber hinaus wird ein Verfahren zur Bestimmung der Morphologie der photoaktiven Schicht durch die molekulare Sperrigkeit der Ti-Alkoxid-Einheiten steuert berichtet.

Morphologie-Steuerung für Volldruck organisch-anorganische Masse-Heterosolarzellen Basierend auf einem Ti-Alkoxid und halbleitendes Polymer

Wir präsentieren eine umfangreiche Studie über die Auswirkungen verschiedener Herstellungsverfahren für organische / anorganische Perowskit dünnen Schichten durch Kristallstrukturen zu vergleichen, Dichte, Energieniveaus, und letztlich die Leistung der Solarzelle.

Einfluss von Hybrid Perowskit-Herstellungsverfahren auf Filmbildung, Elektronische Struktur und Leistung der Solarzelle

Hier präsentieren wir ein Protokoll, um Hochleistungs-Lücke/Si Heterojunction Solarzellen mit einer hohen Si Minderheit-Träger Lebensdauer zu entwickeln.

Entwicklung von Hochleistungs-Lücke/Si Heterojunction Solarzellen

Dieses Papier ist eine Demonstration und eine Richtlinie zur Durchführung und Analyse interner (mit einem Labor-Röntgeninstrument) in situ GISAXS-Experimente zur Trocknung von Tinten auf Roll-to-Roll-Slot-Die-beschichteten, nicht-fullerene organischen Photovoltaikanlagen.

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

Wir beschreiben eine Blitz-Infrarot-Glühen-Methode für die Synthese von Perowskit und mesoskopischen-TiO 2-Filmen. Die Glühparameter sind abwechslungsreich und für die Verarbeitung von Fluor-dotiertem Zinnoxid (FTO)-Glas und Indiumzinnoxid-beschichtetem Polyethylenterephthalat (ITO PET) optimiert, wodurch den Geräten eine Leistungsumwandlungseffizienz von &gt;20% ermöglicht wird.

Flash Infrarot Glühen für Perovskite Solar Cell Processing

Erfahren Sie die Herstellung organischer Dünnschicht-Solarzellen mittels Mini-Slot-Die-Coating und die In-situ-Morphologiecharakterisierung mit Synchrotron-Streutechniken. Diese Methode verbindet industrielle Prozesse mit Materialwissenschaft.

Printing Herstellung von Bulk-Heterosolarzellen und In Situ Morphologie Charakterisierung

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