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Artículo de método

La fabricación de la impresión a granel heterounión células solares y In Situ Morfología Caracterización

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DOI:

10.3791/53710

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29 de enero de 2017

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1Materials Sciences Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, 2Department of Polymer Science and Engineering, University of Massachusetts, Amherst, 3Advanced Light Source, Lawrence Berkeley National Laboratory

En este artículo

Resumen

A continuación, se presenta un protocolo para la fabricación de células solares de película delgada orgánica utilizando un revestidor de troquel mini-ranura y relacionados caracterizaciones estructura en línea utilizando técnicas de dispersión de sincrotrón.

Resumen

Los materiales basados en polímeros son prometedores como dispositivos fotovoltaicos eficientes, flexibles y de bajo coste. La mayoría de los esfuerzos de laboratorio para lograr dispositivos de alto rendimiento han utilizado dispositivos preparados por recubrimiento por rotación, un proceso que no es susceptible de fabricación a gran escala. Este desajuste en la fabricación de dispositivos dificulta la traducción de los resultados cuantitativos obtenidos en el laboratorio al nivel comercial, lo que dificulta la optimización. Utilizando un recubridor de matriz de miniranura, este desajuste se puede resolver trasladando el proceso comercial al laboratorio y caracterizando la formación de la estructura en la capa activa del dispositivo en tiempo real e in situ a medida que las películas se recubren sobre un sustrato. La evolución de la morfología se caracterizó bajo diferentes condiciones, lo que nos permite proponer un mecanismo por el cual las estructuras se forman y crecen. Esta recubridora de troqueles de miniranura ofrece una ruta simple, conveniente y eficiente en materiales mediante la cual se puede optimizar la morfología en la capa activa en condiciones industrialmente relevantes. El objetivo de este protocolo es mostrar detalles experimentales de cómo se fabrica un dispositivo de célula solar utilizando un recubridor de matriz de mini-ranura y detalles técnicos de la caracterización de la estructura in situ utilizando el recubridor de matriz de mini-ranura.

Introducción

fotovoltaica orgánica (OPV) son una tecnología prometedora para producir energías renovables rentables en un futuro próximo. Se han realizado 1, 2, 3 enormes esfuerzos para desarrollar polímeros foto-activa y fabricar dispositivos de alta eficiencia. Hasta la fecha, solo los dispositivos de OPV en capas han logrado una eficiencia de conversión de potencia> 10% (PCE). Estas eficiencias se han logrado en los dispositivos a escala de laboratorio usando recubrimiento por rotación para generar la película, y la traducción de los dispositivos de escala de mayor tamaño ha estado plagado con reducciones significativas en el PCE. 4, 5 En la industria, de rollo a rollo de revestimiento de película delgada (R2R) basado se utiliza para generar fotones películas delgadas activos en sustratos conductores, que es bastante diferente de los procesos típicos a escala de laboratorio, en particular en la tasa de eliminación del disolvente. Esto es fundamental, ya que las morfologías son kicamente atrapado, que resulta de la interacción entre múltiples procesos cinéticos, incluyendo la separación de fases, el pedido, la orientación y la evaporación del disolvente. 6, 7 Esta morfología cinéticamente atrapado, sin embargo, determina en gran medida el rendimiento de los dispositivos de células solares. Por lo tanto, la comprensión del desarrollo de la morfología durante el proceso de recubrimiento es de gran importancia para la manipulación de la morfología a fin de optimizar el rendimiento.

La optimización de la morfología requiere la comprensión de la cinética asociados con el orden de polímero conductor de agujero en solución como se eliminó el disolvente; 8, 9 cuantificación de las interacciones del polímero con el conductor de electrones a base de fullereno; 10, 11, 12 la comprensión de las funciones de los aditivos en la definición de la morfopesado; 13, 14, 15 y el equilibrio de las velocidades relativas de la evaporación del disolvente (s) y aditivos. 16 Ha sido un reto para caracterizar la evolución de la morfología cuantitativamente en la capa activa en un entorno industrial pertinente. procesamiento de rollo a rollo ha sido estudiado para la fabricación de dispositivos de OPV a gran escala. 4, 17 Sin embargo, estos estudios se realizaron en un entorno de fabricación en donde se utilizan grandes cantidades de materiales, lo que limita efectivamente estudios a polímeros disponibles comercialmente.

En este trabajo, se demuestran los detalles técnicos de la fabricación de dispositivos de OPV usando un sistema de revestimiento con matriz mini-ranura. parámetros de recubrimiento tales como la cinética de secado de la película y el control de espesor de la película son aplicables a procesos de mayor escala, haciendo de este estudio directamente relacionado con fa industriaengrase. Además, una cantidad muy pequeña de material se utiliza en el experimento de revestimiento boquilla de ranura mini, haciendo de esta transformación aplicables a los nuevos materiales sintéticos. En el diseño, este mini-ranura de la matriz revestidor puede montarse en las estaciones finales de sincrotrón, y el pastoreo así la incidencia de pequeña dispersión de ángulo de rayos X (GISAXS) y difracción de rayos X (GIXD) se puede utilizar para permitir los estudios en tiempo real sobre la evolución de la morfología en un amplio intervalo de escalas de longitud en diferentes etapas del proceso de secado la película bajo un rango de condiciones de procesamiento. La información obtenida en estos estudios se puede transferir directamente a un entorno de fabricación industrial. La pequeña cantidad de materiales utilizados permite una selección rápida de un gran número de materiales foto-activa y sus mezclas en diversas condiciones de procesamiento.

El dicetopirrolopirrol semicristalino y quaterthiophene (DPPBT) basada en un polímero conjugado banda baja se utiliza como material de modelo de donante, y (6,6) -fenil-C71 butyric éster metílico del ácido (PC 71 BM) se utiliza como aceptor electrónico. 18, 19 se muestra en los estudios anteriores que DPPBT: PC 71 BM mezclas formar grandes separación de fases tamaño cuando se utiliza cloroformo como el disolvente. A cloroformo: 1,2-diclorobenceno mezcla de disolventes puede reducir el tamaño de la separación de fases y aumentar el rendimiento del dispositivo así. La formación morfología durante el proceso de secado disolvente se investigó in situ por el pastoreo de difracción incidencia de rayos X y dispersión. Dispositivos de células solares fabricados utilizando el troquel recubridor de mini-ranura mostró un PCE promedio de 5,2% usando las mejores condiciones de mezcla de disolventes, 20 que es similar a los efectos de recubrimiento de dispositivos fabricados. El revestidor de troquel mini-ranura se abre una nueva ruta para fabricar dispositivos de células solares en un laboratorio de investigación que imita un proceso industrial, llenando un vacío en la predicción de la viabilidad de estos materiales en una forma industrial relEvant entorno.

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Protocolo

1. Fotón-activa Preparación Mezcla Tinta

  1. Pesar 10 mg de polímero DPPBT y 10 mg de PC 71 material de BM (estructuras químicas mostradas en la Figura 1). Mezclar en un vial de 4 ml.
  2. Añadir 1,5 ml de cloroformo y 75 l de 1,2-diclorobenceno en la mezcla.
  3. Ponga una pequeña barra de agitación en el vial, cerrar el vial con una tapa de politetrafluoroetileno (PTFE), y transferir el vial en un plato caliente. Se agita a ~ 400 rpm, y se calentó a ~ 50 ° C durante la noche antes de su uso.

2. ITO y la oblea de sustrato Limpieza y Preparación

  1. Cargar pre-modelado sustrato de indio óxido de estaño (ITO) de vidrio (1 pulgada por 3 pulgadas, con un medio eliminó ITO) o la oblea de silicio en un bastidor de la limpieza de teflón y poner la rejilla en un recipiente de vidrio (Figura 2). Añadir solución de detergente diluido (300 ml, solución detergente universal de 1%) en el recipiente de vidrio y poner el recipiente de vidrio en baño de ultrasonidos y sonicar durante 15 min.
  2. Eliminar el detergente y enjuagar el vidrio ITO con agua desionizada (DI) un par de veces. A continuación, añadir agua DI 300 ml en el recipiente, y poner el recipiente de vidrio en el baño de ultrasonidos durante otros 15 minutos.
  3. Eliminar el agua desde el recipiente. Añadir 300 ml de acetona en el recipiente, y sonicar durante 15 min.
  4. Eliminar la acetona. Añadir 300 ml de 2-isopranol en el recipiente de vidrio, y después sonicar durante 15 min.
  5. Mover la limpieza de la rejilla hacia afuera en un horno. Ajuste la temperatura del horno a 100 ° C, y esperar 3-5 horas hasta que el vidrio ITO está completamente seca.
  6. Sacar sustratos limpiados. Transferirlos en un limpiador de plasma limpiador UV-ozono u oxígeno. Utilice UV-ozono o plasma de alta potencia para limpiarlos de ~ 15 min de acuerdo con el protocolo del fabricante.
  7. Poner el sustrato limpiado en un spin-revestidor, añadir 150 l de poliestireno sulfonato de poli (3,4-etilendioxitiofeno) (PEDOT: PSS) solución sobre el sustrato limpiado, y la capa de centrifugado a 3.000 rpm para recubrirun ~ 30 nm de espesor PEDOT: PSS (PEDOT: PSS 4083) película delgada sobre el cristal de ITO o obleas de silicio.
  8. El despegue de sustratos revestidos de espín. La transferencia de los sustratos revestidos frescas sobre una placa de calentamiento y recocido a 150 ° C durante 15 min.

3. Capa Activa Printing

  1. sustrato carga. Poner el PEDOT: PSS sustrato ITO revestido sobre la placa base del dispositivo de recubrimiento de mini boquilla de ranura. Encienda la bomba de vacío que está conectado a la pinza de sujeción de vacío del aparato de revestimiento boquilla de ranura para mantener el sustrato con fuerza. (Ver Figura 3 para localizar los diferentes componentes.)
  2. Ajuste la posición del sustrato para ponerlo justo debajo de la cabeza impresora. Esto se puede hacer mediante el uso del manipulador lineal por debajo de la placa de sustrato.
  3. Ajuste el cabezal vertical mediante el manipulador de inclinación 2-D que sujeta el cabezal de impresión. Asegúrese de que la cabeza se coloca verticalmente en la parte superior del sustrato cargado. Tenga en cuenta que en este proceso, la cabeza de impresión se puede bajar cerca de la Substrate. Utilice la brecha entre el cabezal de impresión y el sustrato para mostrar si la cabeza está inclinada o no. Esto será extremadamente útil cuando se utiliza un sustrato de oblea, ya que una imagen de menor importancia de la cabeza de impresión se mostrará y será mucho más fácil comprobar la inclinación.
  4. Sintonizar la distancia de la cabeza a sustrato a cero. El motor vertical está acoplado con un sensor de fuerza. Cuando el cabezal de impresión está flotando, se obtendrá una lectura de fuerza constante (por el peso de la impresión de la cabeza y la inclinación de conjuntos de manipulador). Una vez que la cabeza impresora toca sustrato, la lectura se reducirá, marcando la posición cero. Ver Figura 4 para el ajuste de distancia del paso. Utilice el modo de lanzadera en el ajuste de la distancia.
    NOTA: La placa de manipulador de traslación vertical está conectado a la base usando los resortes y la constante del resorte varía ligeramente. Por lo tanto los pequeños cambios en sensor de fuerza son inevitables durante el experimento.
  5. Establecer un valor de cabeza a sustrato para ejecutar el experimento. En este experimento, establecer eldirigirse al sustrato brecha a 100 micras.
  6. Ajuste el motor etapa de traslación lineal que se utiliza para imprimir. Encontrar el punto de partida y el punto final. Anote estos valores. La distancia de recorrido del motor lineal es de 100 mm. A continuación, ajuste la posición del motor 10 mm como punto de partida y de 80 mm de la posición del motor como el punto final.
  7. Establecer la velocidad de impresión de 10 mm / seg mediante el motor que controla la interfaz de software (Figura 4b). Ajuste la velocidad de aceleración del motor a 100 m / seg.
    1. Si el motor no funcione correctamente o que el software tiene un error, por favor, reinicie el software y haga clic en "activar" y luego "casa" en la interfaz de software. Tenga en cuenta que durante el proceso de impresión, el cabezal de impresión se mantiene fijo y el sustrato se mueve para dispensar la solución y imitar el proceso de impresión industrial.
  8. Cargar DPPBT: solución PCBM (temperatura ambiente) en 1 ml de la jeringa y montar la jeringa a la bomba de jeringa que está conectado a la ranuramorir impresora. Establecer los parámetros de impresión en el software de control (diámetro de la jeringa y la velocidad de alimentación de solución, 0,3 ml / min en este caso).
  9. Iniciar el experimento de impresión.
    1. Mover el sustrato al punto de partida escribiendo la posición de punto de partida en la ventana de posición en el control de software. Ver Figura 4c para más detalles.
    2. Comenzar a extraer la solución en cabeza de la boquilla de ranura haciendo clic en el inicio en el software de la bomba de jeringa. Alternativamente, operar manualmente la bomba de jeringa. Para cada capa, se utilizarán alrededor de ~ 100 l de solución. Normalmente, se usa una solución de 300 l para la impresión por primera vez y usar ~ 100 l solución para la impresión repetida.
    3. iniciar rápidamente el motor de traslación cuando la solución empieza a salir de la cabeza de impresión, y el sustrato se moverá a la posición final. Tenga en cuenta que este es un paso crítico. Precargar el motor de traslación posición final en la ventana de posición y haga clic en Intro para iniciar la mov motorement.
    4. Detener la bomba de jeringa y levante el cabezal de impresión utilizando el motor vertical. Apague la aspiradora y tomar el sustrato de la placa base. Tenga en cuenta que el volumen muerto para este cabezal de impresión es de 250 l, y llenando así la primera vez toma más de 250 l de solución.
    5. Cargar el sustrato impreso en un horno de vacío durante 3-5 horas para eliminar el disolvente residual.
    6. Poner una placa de Petri por debajo del cabezal de impresión. Bombear 10 ml de cloroformo en el cabezal de impresión para limpiar el cabezal. Recoger la solución de cloroformo contaminado con la placa de Petri. Utilizar bastoncillos de algodón para limpiar el cabezal de impresión mientras se bombea la solución de limpieza. Después de cada ejecución de revestimiento, limpiar el cabezal de impresión, especialmente cuando se usa una solución diferente.
      NOTA: El DPPBT: PCBM solución presenta un color verde oscuro. Cuando la limpieza se completa, no hay color puede ser visto desde el disolvente cloroformo.

4. La deposición del cátodo del electrodo

  1. cargar elsustrato recubierto capa activa sobre máscaras de sombra (Figura 5) y monte la máscara en la cámara de evaporación.
  2. Ponga dos barcos de evaporación térmica en entre los montantes de electrodos (Figura 6a). Cargar un barco con sal de LiF (que apenas cubren el barco, ~ 0,2 g) y un bote de metal de aluminio (4 bolitas).
  3. Cierre la cámara de evaporación y la bomba abajo de la cámara de evaporación a aproximadamente 2 x 10 -6 Torr.
  4. Ajuste la cámara para depositar 1 nm de LiF, seguido de 100 nm de aluminio. En el caso actual, el uso de energía del 20% para la deposición de LiF y el uso de energía del 26% para el depósito de Al. Se muestra en la Figura 6b es la interfaz de control del evaporador del sistema utilizado en este estudio.
  5. Deja de bombas de evacuación y llenar la cámara con gas nitrógeno. Cuando la presión vuelve a la presión ambiente, tomar los sustratos a cabo.

5. Medición de Rendimiento Fotovoltaica

  1. Preparar un portaobjetos de vidrio que es la mitad de laanchura del vidrio ITO que se utiliza en la fabricación del dispositivo. Llevar a cabo este paso en una caja de guantes. Pasta de pegamento epoxi a un lado del sustrato de vidrio, y cubrir la zona dispositivo utilizando los portaobjetos de vidrio recubiertos de cola epoxi (véase la figura 11 para el dispositivo de la muestra). Cuando el epoxi se ha curado, el dispositivo se sella completamente.
  2. Encendido de la lámpara de simulación solar y determinar AM 1,5 radiación con 100 mW / cm2. Estabilizar la lámpara durante aproximadamente 15 min antes de la medición. Se muestra en la Figura 7 es el sistema de medición de PV utilizado en este estudio.
  3. Montar el dispositivo en el simulador solar a la distancia del instrumento propuesto. Conectar el ánodo y el cátodo al circuito de medición. Grabar una curva corriente-voltaje utilizando un multímetro de corriente usando el protocolo del fabricante.
  4. Determinar el rendimiento del dispositivo de la siguiente manera:
    J sc: corriente de cortocircuito, la corriente máxima que un dispositivo de célula solar puede ofrecer;
    V oc : Voltaje de circuito abierto, la tensión máxima que un dispositivo de célula solar puede suministrar;
    FF: factor de llenado, el área máxima en la curva IV dividido por J sc * V oc;
    La eficiencia de conversión de energía, J sc * V * oc FF / (100 mW / cm2): PCE.

6. Medición de sincrotrón de rayos X

  1. Establecer un cuadro de helio para suprimir la dispersión de aire en la medición de rayos X. Montar el troquel recubridor de mini-ranura en la caja de helio. En la Figura 8 es la configuración de la prueba de experimentos de difracción de incidencia rasante de rayos X utilizando una caja de helio a la fuente de luz avanzada.
  2. Montar un interferómetro óptico sobre la máquina de impresión para controlar el cambio de espesor durante la evaporación del disolvente. En este experimento, utilizar un modelo UVX (por ejemplo, Filmetrix F20). Los materiales que se utilizan en este experimento tienen una fuerte absorción de la luz de longitud de onda 300-900 nm.
    1. Utilice una lámpara de fuente de interferómetro óptico XXen evita la absorción de material. Utilice una lámpara de longitud de onda de 1,100-1,700 nm en este experimento. Pre-calibrar el instrumento antes experimento siguiendo sus procedimientos de operación.
  3. Poner el PEDOT: PSS sustrato disco recubierto sobre soporte de sustrato de la impresora y ajustar la posición de la cabeza y el sustrato después de la etapa de 3.2-3.5. Encienda la bomba de vacío y asegurarse de que el sustrato de la oblea pega al soporte de sustrato con fuerza.
  4. Purgar el cuadro de helio para eliminar el aire. Tenga en cuenta que el nivel de oxígeno debe ser inferior a 0,3 v%, que puede ser controlado por sensor de oxígeno.
  5. Alinear el sustrato en la posición en la que los rayos X incide sobre el sustrato (la posición final en la impresión), y establecer el ángulo de incidencia, 0,16 ° en este caso. Alinear acuerdo con el protocolo del haz de línea.
  6. Establecer el método de adquisición tiempo de exposición de rayos X y los datos. A continuación, utilice 2 segundos como el tiempo de exposición, y seguido por 3 segundos de tiempo de retardo (para evitar daños haz de servidor). Por lo tanto cada período de experimentoser 5 seg. Llevar a cabo una cola continua de 100 repeticiones; por lo tanto tomar 100 fotografías.
  7. Nombre del experimento y elegir la ruta de datos para guardar archivos experimentales. Se muestra en la Figura 9 es la interfaz de usuario avanzada Fuente de luz en línea de haz 7.3.3 donde los ajustes antes mencionados se pueden localizar fácilmente.
  8. Mueva el sustrato a la posición inicial mediante la introducción de la posición de partida en el software de control de motor. Comience el obturador de rayos X y el detector grabará continuamente señales de difracción / dispersión.
  9. Arrancar la bomba de jeringa para alimentar solución en la cabeza de impresión. Cuando la solución comienza a expulsar desde el cabezal de impresión (supervisado por una cámara de vigilancia), iniciar rápidamente el proceso de impresión.
    NOTA: Cuando se alcanza la posición de medición pre-elegido, detector 2-D capturará la señal de dispersión de la solución. Espesor de la película será supervisado por el interferómetro. De este modo se grabará la evolución morfología de la película delgada.
  10. Levante la impresoracabeza y limpiar la cabeza cuando se realiza el experimento.

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Resultados

Se muestra en la Figura 3 es el sistema de revestimiento con matriz mini-ranura. Consiste en una máquina de revestimiento, una bomba de jeringa y una caja de control central. La máquina de revestimiento es la parte esencial, que está hecho de una cabeza de boquilla de ranura, una etapa de traslación horizontal, y una etapa de traslación vertical. El cabezal de boquilla de ranura está montado a la base de un motor de traslación vertical a través de un manipulador de incli...

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Discusión

El método descrito aquí se centra en el desarrollo de un método de preparación de la película que se puede escalar fácilmente hasta en la producción industrial. impresión de película delgada y caracterización morfología sincrotrón son los pasos más críticos con el protocolo. En investigaciones anteriores de laboratorio OPV reducido, recubrimiento por rotación se utiliza como el método dominante para la fabricación de dispositivos de película delgada. Sin embargo, este proceso utiliza una alta fuerza centrífuga para exte...

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Divulgaciones

Los autores no tienen nada que revelar.

Agradecimientos

Este trabajo fue apoyado por Polymer-Based Materials for Harvesting Solar Energy (PHaSE), un Centro de Investigación de Frontera Energética financiado por el Departamento de Energía de EE. UU., la Oficina de Ciencias Básicas de la Energía bajo el número de adjudicación DE-SC0001087 y la Oficina de Investigación Naval de EE. UU. bajo el contrato N00014-15-1-2244. Partes de esta investigación se llevaron a cabo en las líneas de luz 7.3.3 y 11.0.1.2 en la Fuente de Luz Avanzada del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, que contó con el apoyo del DOE, la Oficina de Ciencias y la Oficina de Ciencias Básicas de la Energía.

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Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
PC71BMNano-C Incnano-c-PCBM-SF
DPPBTLa Universidad de MassachusettsHecho
PEDOT:PSSHeraeusP VP Al 4083
Mucasol Limpiador líquidoSigma-AldrichZ637181
AcetonaSigma-Aldrich 270725
Alcohol isopropílicoBDHBDH1133
CloroformoSigma-Aldrich 372978 
1,2-diclorobencenoSigma-Aldrich240664
Fluoruro de litioSigma-Aldrich669431
AluminioKurt LeskerEVMAL50QXHD
Viales de vidrioFisher Scientific03-391-7B
Limpiador ultrasónicoCleanosonicBranson 2800
HornoWVR414005-118
Rejilla de limpiezaLawrence Berkeley National Labhecha
Lawrence BerkeleyNational Lab
UVOCS INCT16X16 OES
GuanteraMBraunEvaporador
MBraunhecho a
CoaterJema Science IncSimulador solar hecho
NewportABB
Spin CoaterSCS Equipo SCSG3
Placa calienteThermo ScientificSP131015Q
Medición de rayos XBerkeley National Lab Beamline7.3.3
a medida Máscara de sombra a medida Limpiador de ozono UV-hecho a medidahecho a medida Troquel de ranura medidaa medida Clase Lawrence

Referencias

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