Waiting
Procesando inicio de sesión ...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

في الموقع الرعي حدوث زاوية صغيرة الأشعة السينية التشتت على لفة إلى لفة طلاء الخلايا الشمسية العضوية مع أجهزة الأشعة السينية المختبرية

Published: March 2, 2021 doi: 10.3791/61374
Automatic Translation
1, 1, 1, 1, 1, 1
1Department of Energy Conversion and Storage, Technical University of Denmark

Summary

هذه الورقة هي مظاهرة والمبادئ التوجيهية لأداء وتحليل في المنزل (مع جهاز الأشعة السينية المختبر) في تجارب GISAXS الموقع من الأحبار التجفيف على لفة لفة لفة فتحة يموت المغلفة، غير فوليرين العضوية الكهروضوئية.

Abstract

نحن نقدم في المنزل، في الموقع الرعي حدوث زاوية صغيرة من زاوية الأشعة السينية تشتت (GISAXS) التجربة، وضعت للتحقيق في تجفيف حركية لفة لفة لطلاء فتحة يموت من الطبقة النشطة في الخلايا الكهروضوئية العضوية (OPVs)، خلال ترسب. لهذا العرض التوضيحي، والتركيز هو على الجمع بين P3HT:O-IDTBR و P3HT:EH-IDTBR،والتي لديها مختلف تجفيف الصناعات الحركية وأداء الجهاز، على الرغم من هيكلها الكيميائي فقط متفاوتة قليلا من جانب سلسلة من قبول جزيء صغير. توفر هذه المقالة دليل خطوة بخطوة لتنفيذ تجربة GISAXS في الموقع ويوضح كيفية تحليل وتفسير النتائج. عادة، إجراء هذا النوع من التجارب في الموقع الأشعة السينية للتحقيق في تجفيف حركية الطبقة النشطة في عمليات ال OPVs يعتمد على الوصول إلى السنكروترونات. ومع ذلك، باستخدام ومواصلة تطوير الطريقة الموصوفة في هذه الورقة، من الممكن إجراء تجارب بدقة زمنية ومكانية خشنة، على أساس يومي للحصول على نظرة أساسية في مورفولوجيا أحبار التجفيف.

Introduction

تمثل الخلايا الكهروضوئية العضوية واحدة من أكثر التقنيات الناشئة الواعدة في الخلايا الشمسية. يمكن أن تمكن OPVs الإنتاج على نطاق واسع من مصدر للطاقة المتجددة فعالة من حيث التكلفة على أساس المواد غير تكسينية مع استرداد الطاقة قصيرة ملحوظة مرات1. الجزء الضوئي في OPVs هو ما يقرب من 300-400 نانومتر طبقة سميكة من البوليمرات موصل والجزيئات، والتي يمكن طباعتها بمعدل عدة أمتار في الدقيقة بواسطة تقنيات طلاء لفة إلى لفة1. هذه التكنولوجيا رقيقة الفيلم هو مرن، الملونة، وخفيفة الوزن، والتي تفتح مسارات لأسواق الطاقة الشمسية الجديدة، مثل إنترنت الأشياء، وبناء التكامل، والمنشآت الزخرفية وتركيب سريع / إلغاء التثبيت على نطاق واسع جدا2،3،4،5. وعلاوة على ذلك، فإن عمليات الـ OPVs لا تتكون إلا من عناصر وفيرة وغير تكسية، مما يجعلها رخيصة في الإنتاج وإعادة التدوير. ولذلك، فإن هذه التكنولوجيا تحظى باهتمام متزايد من جانب الصناعة والأوساط الأكاديمية. وقد بذلت جهود هائلة لتحسين كل طبقة في المكدس الكامل الذي يشكل الخلايا الشمسية العضوية، وقد تم القيام بالكثير من البحوث النظرية والتجريبية لفهم الفيزياء الكامنة من OPVs6،7،8. وقد دفع الاهتمام الهائل في التكنولوجيا الميدان إلى حالته الراهنة حيث الأجهزة بطل ملفقة في المختبرات تتجاوز 18٪ كفاءة9. ومع ذلك ، فإن رفع حجم التصنيع (أي الانتقال من طلاء الدوران على ركائز جامدة إلى ترسب قابل للتطوير على ركائز مرنة) مصحوب بخسائر كبيرة في الكفاءة10. وبالتالي فإن سد هذه الفجوة هو أمر بالغ الأهمية بالنسبة لمفتاحات الأغشية من أجل أن تصبح قادرة على المنافسة مع التكنولوجيات الأخرى المتاحة تجارياً في مجال الخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة.

OPV هي تقنية رقيقة تتكون من عدة طبقات وظيفية. في هذه المظاهرة، يكون التركيز فقط على الطبقة الضوئية. هذه الطبقة مهمة بشكل خاص ، حيث يتم امتصاص الفوتونات ، ويتم إنشاء التيار الضوئي. وعادة ما تتكون الطبقة الضوئية من عنصرين على الأقل، وهما المتبرع والمقبِل. هنا ، والتركيز على البوليمر المانح P3HT في تركيبة مع إما O - IDTBR أو EH : IDTBR كما acceptor11، مع الصيغ الكيميائية كما هو مبين في الشكل 1. يوصف التصميم الأمثل للطبقة الضوئية بأنه التغاير السائب (BHJ) ، حيث يتم تشابك المركبات في جميع أنحاء الجهاز ، كما هو موضح في الشكل 2. يتم الحصول على BHJ بواسطة فتحة يموت طلاء الحبر تتكون من المانحة والمقبل في الحل10. في حين طلاء الحبر الرطب على الركيزة ، تتبخر جزيئات المذيبات ، مما يترك المتبرع والمقبِل في حالة تشابك. ويُشار عادة إلى توزيع المانح/المتقبل فيما يتعلق بفصل المرحلة، والتوجه، والترتيب، وتوزيع الحجم، باسم مورفولوجيا البوسنة والهرسك. إن مورفولوجيا الطبقة النشطة تلعب دوراً هاماً في أداء الخلايا الشمسية نظراً لطبيعة مبدأ العمل4،12. ويُوضَّح مبدأ العمل في الشكل 2 ويمكن وصفه بأربع خطوات: أولاً، يمتص الفوتون الوارد ويثير إلكتروناً من أعلى المدارات الجزيئية المحتلة (HOMO) إلى أدنى مدار جزيئي غير مأهول (LUMO). وترتبط الثقب (حالة شاغرة في HOMO) والإلكترون المتحمس معًا. ويشار إلى هذا الزوج الإلكترون ثقب- ربط باسم exciton. ثانيا ، exciton هو حر في التحرك ، وتقريب المسار الحر المتوسط قبل إعادة التركيب هو 20 نانومتر6. ثالثاً، عندما يكون الاكسيتون بالقرب من واجهة بين المتبرع والمقبِل، فمن الملائم للغاية أن ينفر إلى إلكترون حر في LUMO للمقبِل وثقب حر في هومو المتبرع. رابعاً، إذا كان الجهاز متصلاً بدائرة، سيتم نقل الرسوم إلى الأنود والتكاثود. لتحسين وظائف OPVs ، يجب تحسين التشكل لاستيعاب كل من الخطوات الأربع لضمان أن يستوعب BHJ أكبر عدد ممكن من الفوتونات الواردة ويولد أكبر عدد ممكن من الشحنات المتحركة. يبقى السؤال كبيرة علميّة من ال مثلى مورفولوجيا.

هذا لا يزال مسألة مفتوحة ، وإجراءات لتحسين مورفولوجيا لمزيج معين من المانح والمقبل حتى الآن يتم عن طريق التجربة والخطأ. أفضل ظروف الطلاء لمزيج P3HT: O-IDTBR و P3HT:EH-IDTBR وقد تم الإبلاغ عن13,14. واستخدمت معلمات تجريبية مماثلة هنا لإعداد كل من P3HT: O-IDTBR و P3HT: EH-IDTBR لفة المغلفة على الركيزة مرنة في 60 درجة مئوية، كما وصفها كوان ليووآخرون. وOPVs المغلفة لفة لديها هيكل مقلوب16 وكانت ملفقة على ركائز مرنة دون أكسيد القصدير indium (ITO خالية)، مع هيكل PET / Ag-grid / PEDOT: PSS/ ZnO /P3HT: O-IDTBR أو EH-IDTBR /PEDOT:PSS/Ag-grid، حيث يدخل الضوء من خلال الركيزة PET. PEDOT: PSS هو اختصار لبولي (3،4-اثيلين ديوكسيثيوفين) البوليسترين السلفونات وPET هو بولي (اثيلين تيريفثالات). بعد تصنيع، يتم قطع المكدس النهائي إلى الخلايا الشمسية الصغيرة مع منطقة photoactive من 1 سم2.

وتشمل الوسائل القياسية لتوصيف أداء الخلايا الشمسية قياس الكثافة الحالية مقابل منحنيات الجهد (J-V) ومدى كفاءة الكم الخارجي (EQE) أطياف. لكل من P3HT:O-IDTBR و P3HT:EH-IDTBR، تظهر النتائج في الشكل 3 والجدول 1. انخفاض 2.2٪ PCE من الخلية الشمسية P3HT:EH-IDTBR يرجع إلى انخفاض تيار الدائرة القصيرة (JSC),التي تقتصر جزئيا على مقاومة سلسلة (Rs) من 9.0 Ω·سم2 مقارنة مع ذلك من P3HT:O-IDTBR من 7.7 Ω·cm2. الجهد الدائرة المفتوحة (VOC),مماثلة في كلا الجهازين (الجدول 1), الذي يعكس التشابه الإلكتروني من اثنين acceptors. الفجوة الفرقة الضوئية من P3HT: O-IDTBR و P3HT:EH-IDTBR الخلايا الشمسية هي 1.60 eV و 1.72 eV، على التوالي، بالاتفاق مع الخصائص البصرية التي لوحظت من قبل redshift في EQE هو مبين في الشكل 3 والتي ذكرت من قبل انريكي P. S. J. وآخرون13. عادة، هو بسبب redshift هيكل أكثر بلورية، وبالتالي فمن المتوقع أن O-IDTBR تمتلك درجة أعلى من البلورية من EH-IDTBR لشروط الطلاء محددة. يُعزى جزء من هذا الجهاز إلى امتصاصها الطيفي الأوسع وتحسينات معالجة الجهاز. إن التيارات المدمجة لـ EQE للأجهزة المبنية على EH-IDTBR و O-IDTBR هي 5.5 و 8.0 mA/cm2 تحت 1 إضاءة الشمس كما هو موضح في الشكل 3. من ملامح EQE، يمكن ملاحظة أن نسبة كتلة 1:1 قريبة من مثالية لP3HT:O-IDTBR ولكن ليس الأمثل لP3HT:EH-IDTBR. يمكن تفسير الاختلافات في أداء الجهاز جزئيًا بوجود الثقوب في فيلم P3HT:EH-IDTBR ، في حين يظهر P3HT:O-IDTBR على نحو سلس كما هو موضح في الشكل 4. يتم تغطية الثقوب في نظام المواد P3HT:EH-IDTBR من قبل طبقة PEDOT:PSS اللاحقة أثناء تصنيع الخلايا الشمسية ، مما يمنع قصر الدوائر من الأجهزة. وعلاوة على ذلك، فإن السلاسل الجانبية للمقبلين خطية ومتفرعة على التوالي، مما يتسبب في اختلاف ذوبانها، وبالتالي حركيتها التجفيفية. يمكن للمرء استخدام مصغرة لفة إلى لفة المغلف للتحقيق في تجفيف الحركية في حين طلاء، والذي يحاكي نفس ظروف طلاء تصنيع الخلايا الشمسية17، كما أظهرت لأول مرة في 201518.

هنا، نقدم تطبيق تحسين آلة طلاء فتحة مصغرة لفة إلى لفة لتنفيذ تجارب GISAXS في الموقع، للتحقيق في مورفولوجيا أحبار التجفيف لOPVs مع مصدر الأشعة السينية في المنزل. GISAXS هو الأسلوب المفضل للبحث في حجم وشكل وتوزيعات التوجه في أو على الأغشية الرقيقة19. عند إجراء تجربة GISAXS، يتم جمع الأشعة السينية المتناثرة التي تسبر العينة على جهاز كشف 2D. الجزء الصعب هو اختيار النموذج الصحيح لاسترداد المعلومات المطلوبة من العينة التي يتم دراستها. ولذلك، فإن المعلومات المسبقة المتعلقة بهيكل العينة ضرورية لاختيار نموذج مناسب. ويمكن الحصول على هذه المعرفة من المجهر القوة الذرية (AFM)، والمجهر الإلكترون انتقال (TEM)، أو محاكاة الديناميات الجزيئية7. هنا ، سوف نقدم لماذا وكيفية تطبيق إطار Teubner و Strey20 لنموذج البيانات التي تم الحصول عليها من تجارب GISAXS في الموقع لاسترداد توزيعات الحجم من المجالات داخل الحبر لBHJs أثناء التجفيف. هناك نوعان من الفوائد لاستخدام مصغرة لفة إلى لفة المغطي. أولا، أنه يحاكي إنتاج واسع النطاق 1:1; وبالتالي، نحن على يقين من أداء الجهاز والطبقة النشطة يمكن مقارنتها مباشرة. ثانياً، باستخدام هذه الطريقة، نحن قادرون على وجود ما يكفي من الحبر الطازج في الشعاع للسماح بإجراء تجربة في الموقع مع مصدر الأشعة السينية المختبرية. وقد تم تطوير أساليب لأداء وتحليل مورفولوجيا من الأغشية الرقيقة مع GISAXS بسرعة على مدى العقد الماضي18،21،22،23،24،25،26،27،28. عادة، عند تنفيذ تجربة GISAXS في الموقع لتحقيق تجفيف الحركية من الطبقة النشطة في OPVs، وهناك حاجة إلى مصدر السنكروترون18،26،27. ويفضل الإشعاع السنكروتروني بشكل عام على مصدر الأشعة السينية في المنزل لإجراء مثل هذه التجربة لتوفير دقة زمنية أفضل وإحصاءات أفضل. ومع ذلك ، لا تتوفر السنكروترونات على أساس يومي ولا يمكن تعديلها لتناسب خط الإنتاج ، وبالتالي يمكن أن يكون مصدر الأشعة السينية في المنزل بمثابة أداة يومية مفيدة لتحسين تركيبات الحبر وظروف الطلاء ، واكتساب نظرة أساسية في فيزياء حركية التجفيف. أهم عيب لاستخدام مصدر الأشعة السينية في المنزل هو استهلاك المواد. وبما أن تدفق الأشعة السينية هو على الأقل خمسة أوامر من حجم أصغر مما كانت عليه في السنكروترون، وهناك حاجة إلى المزيد من المواد للحصول على إحصاءات كافية. ولذلك، فإن هذه التقنية ليست مناسبة بعد لاكتشاف المواد الجديدة، حيث لا يمكن الوصول إلا إلى كميات صغيرة من المواد. للمواد التي هي رخيصة وسهلة لتوليف، والتي هي أيضا عامل مهيمن على التوسع29،وهذا الأسلوب سوف تكون مفيدة على استخدام السنكروترونات في السعي لسد فجوة الكفاءة لضخم نطاق لفة إلى لفة المغلفة OPVs10،30.

هذه المادة سوف توجه القارئ من خلال تنفيذ تجارب GISAXS في الموقع للتحقيق تجفيف حركية من الأحبار المطبقة على إنتاج واسعة النطاق من OPVs. ويرد مثال على تقليل البيانات وتحليلها إلى جانب مناقشة نماذج مختلفة لتفسير البيانات.

Protocol

وينقسم هذا البروتوكول إلى خمسة أقسام فرعية. أولاً، يتم عرض إجراء لإعداد الأحبار. ثانيا، يتم وصف الإجراء لإعداد وتنفيذ لفة إلى لفة فتحة يموت طلاء. ثالثاً، يتم تقديم دليل خطوة بخطوة لإجراء تجربة GISAXS في الموقع. رابعاً، يتم تحديد إجراءات تصحيح البيانات وتحليلها. وأخيرا، يتم الإبلاغ عن النتائج ومناقشتها.

1. إعداد الأحبار لطلاء لفة إلى لفة (اليوم 1)

  1. اقرأ MSDS للبوليمرات والجزيئات والمذيبات بعناية قبل بدء التجربة.
  2. مكان 90 ملغ من O-IDTBR و 90 ملغ من P3HT في 10 مل قارورة.
  3. حل المواد الصلبة P3HT:O-IDTBR في 4.5 مل من ثنائي كلور البنزين: البروموانيزول (0.95:0.05) خليط المذيبات. التركيز النهائي للحبر هو 180 ملغ / 4.5 مل = 40 ملغ / مل.
  4. وضع مُحرك مغناطيسي في المحلل وختم القارورة على الفور. ضع القارورة المختومة على لوحة ساخنة مع دوار مغناطيسي. تعيين دوران في 300 دورة في الدقيقة وطبقة ساخنة في 60 درجة مئوية، وتركها اثارة لمدة 12 ساعة.
  5. كرر الإجراء لإعداد الحبر لP3HT: EH-IDTBR.

2. إعداد وتنفيذ لفة إلى لفة فتحة يموت طلاء (اليوم 2)

  1. إيقاف تشغيل التناوب و لوحة ساخنة. إزالة قارورة من لوحة ساخنة على الأقل 1 ساعة قبل استخدامه، لتحقيق درجة حرارة الغرفة من الأحبار عند طلاء.
  2. الرياح 18 م من احباط الركيزة PET على لفة المغذية. إرفاق نهاية حرة من الركيزة إلى لفة الرياح كما هو مبين في الشكل 5. بدء تشغيل المحرك لتشغيل احباط 0.2 م لتشد من الركيزة.
  3. تعيين أول لوحة ساخنة من إعداد لفة إلى لفة في درجة الحرارة المطلوبة (أي، 60 درجة مئوية). تعيين لوحة ساخنة الثانية في 80 درجة مئوية لضمان أن يتم تجفيف الفيلم عند الجرح على لفة الرياح. انتظر حوالي 15 دقيقة لدرجة الحرارة من اثنين من لوحات الساخنة لتحقيق الاستقرار.
  4. قم بتحميل 2.2 مل من الحبر في حقنة 3 مل. اركب الحقنة في المضخة إرفاق أنبوب من حقنة إلى فتحة يموت رئيس طلاء.
  5. ضع رأس الطلاء بالقرب من نهاية أول لوحة ساخنة عن طريق ضبط مرحلة الترجمة الأفقية ، ووضع دليل الغضروف المفصلي تقريبًا 5 مم فوق الركيزة.
  6. تعيين مضخة حقنة في إعدادات الطلاء التالية: معدل: 0.08 مل / دقيقة، وقطر الحقنة: 12.7 ملم.
  7. التحكم في سمك الطبقة النشطة d عن طريق ضبط معدل التدفق ، f، و سرعة الركيزة المتحركة ، v، وفقًا لهذه الصيغة:
    Equation 1
    حيث ث هو عرض الفيلم (يحددها دليل الغضروف المفصلي)، و ρ هو كثافة المواد في الحبر. في هذه التجربة، نستخدم v= 0.6 م/دقيقة بمعدل تدفق f=0.08 مل/دقيقة، مما يؤدي إلى فيلم بسماكة جافة تبلغ 425 نانومتر.
  8. خطوة هامة: اضغط يدويًا على الحبر من المحاقن عبر الخرطوم، ثم توقف 1 سم قبل أن يصل الحبر إلى رأس الطلاء. بدء ضخ حقنة وانتظر قطرات لتبلل العرض الكامل من دليل الغضروف المفصلي. على الفور، وانخفاض رئيس طلاء لتبلل الركيزة مع الحبر ومن ثم رفع دليل الغضروف المفصلي إلى وضع الطلاء 2 ملم فوق الركيزة.
  9. بدء تشغيل المحرك الذي ينتهي الركيزة والبدء في طلاء الحبر.
  10. لوقف الطلاء، ووقف المضخة ووقف الركيزة المتحركة. رفع رئيس الطلاء إلى ارتفاع آمن (حوالي 20 مم فوق الركيزة). ثم تنظيف الرأس و خرطوم مع رباعي هيدروفوران.

3. اليوم 2: في الموقع رول إلى لفة تجارب GISAXS

  1. وصف إعداد الأشعة السينية
    ملاحظة: يبلغ إجمالي طول إعداد الأشعة السينية للريال من زاوية صغيرة هي 4.5 متر ويتكون من مصدر أشعة سينية، مع التركيز على البصريات، وقسم التجميع، ومرحلة العينة، وأنبوب الطيران، وإيقاف الشعاع، وجهاز كشف، كما هو موضح في الشكل 6. مصدر الأشعة السينية هو أنود دوار من ريغاكو.
    1. استخدم أنود نحاسي لهذه التجربة، وحدد حالة التشغيل إلى 36 كيلو فولت و36 م.أ.
    2. تشغيل التجربة في وضع التركيز الدقيق. البصريات تتكون من 2D التركيز متعددة الطبقات monochromator ، والتي هي محاذاة لتحسين انعكاس النحاس Kα الإشعاع مع طول موجة من 1.5418 Å. يتكون قسم التكميم من ثلاثة ثقوب توضع 45 سم و141 سم و207 سم من مصدر الأشعة السينية على التوالي. أقطار الثقوب هي 0.75 مم، 0.3 مم، و 1.0 ملم في القطر، على التوالي، مع حجم مسبار يبلغ حوالي 1.0 ملم في موضع العينة، يقابل بصمة شعاع 286 ملم بزاوية حدوث 0.2 درجة. شعاع لديه تدفق في عينة من 5 × 106 فوتوناتق -1 وملف التعريف كما هو مبين في الشكل 7، لوحة اليسار.
    3. تأكد من وجود ما لا يقل عن ثلاثة محركات يمكن التحكم فيها في مرحلة العينة لضبط موضع المغطية الصغيرة من رول إلى لفة. المصب من مرحلة العينة، تثبيت أنبوب الطيران 166 سم أخلى (أقل من 0.01 mbar) على الرف تليها ايغر 4M كاشف الأشعة السينية31.
  2. تثبيت معطف لفة.
    1. ربط المعطف الصغير من رول إلى لفة إلى الـ goniometer. قم بتركيب جهاز الـ goniometer مع المعطف من رول إلى لفة على المقعد البصري في موضع العينة.
    2. ربط كابلات المحركات الثلاثة. ربط مرحلة goniometer إلى مقاعد البدلاء. اقترب من أنبوب الطيران أقرب إلى المعطف الصغير من رول إلى رول قدر الإمكان.
  3. خطوة هامة: محاذاة موضع العينة. معطف 10 سم من الحبر ولفة الفيلم في شعاع. إجراءات المحاذاة ثلاثية.
    1. محاذاة العينة موازية للشعاع. ويتحقق ذلك من خلال عملية متكررة لمسح كثافة مجموعة من شعاع مباشر كدالة من موقف العينة العمودية وزاوية الإصابة.
    2. محاذاة العينة إلى زاوية حدوث محددة، αi،عن طريق حساب الزاوية من شعاع منعكس على كاشف مع الصيغة التالية:
      Equation 1  (1)
      حيث RB هو موقف شعاع المنعكة، DB هو موقف شعاع مباشر (سواء تقاس في سم)، و SDD هو المسافة العينة إلى كاشف، هنا 166 سم.
    3. تحسين كثافة في شعاع المنعكة عن طريق مسح ارتفاع موضع العينة. لهذه التجربة، استخدم زاوية حدوث 0.2 درجة. تظهر البيانات 2D لهذا الإجراء في الشكل 7.
  4. اختيار زاوية الإصابة
    1. اختيار زاوية الإصابة لضمان الاختراق في طبقات الفائدة. هنا سيكون هذا من زاوية الإصابة 0.2 درجة.
      ملاحظة: لهذه التجربة، يتكون الفيلم من الفائدة من المذيبات، P3HT وIDTBR. كل من P3HT و O-IDTBR لديها كثافة أعلى من المذيبات، ويفترض أن لديها أعلى زاوية حرجة للتفكير الكلي. يمكن أن تختلف الزاوية الحرجة لـ P3HT وO-IDBTR وفقًا لتعبئة التعبئة التي تنتج عن زاوية حرجة تتراوح من 0.16 درجة إلى 0.19 درجة ، مع افتراض كثافة الصلبة من 1.1 - 1.35 جم/سم3. وهكذا، تم اختيار 0.2 درجة لضمان اختراق الجزء الأكبر من الفيلم. لتنفيذ تجربة GISAXS على نظام آخر عينة، تقييم زاوية الإصابة الأنسب لعينة محددة28،59.
  5. تثبيت شعاع توقف قبل جهاز الكشف، والتي سوف تمتد عمر الكاشف. استخدم محطة شعاع دائرية للشعاع المباشر و محطة شعاع مستطيلة رفيعة إضافية لمنع الحزمة المنعكة. يجب أن تتوقف الحزمة لمنع الشعاع المباشر ولكن في الوقت نفسه تسمح بالكشف عن التشتت عند زوايا التشتت المنخفضة.
    ملاحظة: من الممكن تنفيذ هذه التجربة دون إيقاف شعاع للسماح بالتتبع المستمر للشعاع المنعك.
  6. تثبيت نقطة شفط. وضع نقطة شفط لإزالة جميع الغازات من المذيبات التبخر. قم بـربط شفط النقطة لضمان تدفق الهواء في العينة هو نفسه في كل تجربة.
  7. تحميل حقنة مع 2.2 مل من الحبر ووضع الحقنة في مضخة الحقنة. اضغط يدويًا على الحبر من المحاقن عبر الخرطوم، ثم توقف 1 سم قبل أن يصل الحبر إلى رأس الطلاء.
  8. تعيين المسافة من رئيس الطلاء إلى شعاع الأشعة السينية. ضع رأس الطلاء في موضع 120 مم من 120 مم من شعاع الأشعة السينية على طول الاتجاه المتحرك للرقائق ، لضمان وقت التجفيف لمدة 12 ثانية (لمدة 3 ثوان من وقت التجفيف ، ضع رأس الطلاء 30 مم من شعاع الأشعة السينية) كما هو موضح في الشكل 8.
  9. بدء لفة إلى لفة فتحة يموت طلاء. وضع ارتفاع الغضروف المفصلي دليل 5 ملم فوق الركيزة.
    1. بدء ضخ حقنة وانتظر قطرات لتبلل العرض الكامل من دليل الغضروف المفصلي. على الفور، وانخفاض رئيس طلاء لتبلل الركيزة مع الحبر، ومن ثم رفع دليل الغضروف المفصلي إلى وضع الطلاء 2 ملم فوق الركيزة.
    2. بدء تشغيل المحرك الذي ينتهي الركيزة والبدء في طلاء الحبر.
  10. ابدأ تسجيل البيانات. افتح مصراع الأشعة السينية وابدأ تسجيل البيانات لمدة 3000 ثانية.
    ملاحظة: تم إجراء هذه التجربة مع التعرض ل 3000 ثانية، وهي طريقة أكثر قوة هي تنفيذ عدة حالات تعرض أقصر للسماح بالمرونة في معالجة البيانات الزمنية.
  11. مراقبة جودة الفيلم المغلفة مع الكاميرا. ابحث عن آثار إزالة التبول من الفيلم على الركيزة والغضروف المفصلي. إذا لزم الأمر، قم بإيقاف القياسات وإعادة التجربة.
    1. في نهاية التجربة، أغلق مصراع الأشعة السينية. قم بإيقاف تشغيل شعاع الأشعة السينية عن بعد. وقف مضخة حقنة، ورفع رأس طلاء والاسترخاء احباط. لسلسلة من التجارب، كرر هذا الإجراء مع إعداد مختلف.

4- معالجة البيانات

ملاحظة: تم إجراء أربع تجارب ويمكن العثور على معلمات محددة في الجدول 2. تم إيقاف إحدى التجارب مع P3HT:O-IDTBR بعد 2732 ثانية بسبب خطأ مضخة حقنة; لذلك، يجب أن تكون الإشارة تطبيع لحساب الفرق في وقت الاكتساب.

  1. تصحيح البيانات
    1. أولا، استخدام قناع لتصحيح لوقف شعاع والبكسل الميت33. اتبع مع مرشح الأشعة الكونية التي وضعها SAXSLAB، ثم تصحيح الحقل شقة، وتصحيح الوقت، مرشح لقمم مبعثر إضافية الناشئة عن الألومنيوم متعدد البلورات التي هي واضحة للعيان في مجموعتين من مجموعات البيانات هو مبين في الشكل 9، لوحة اليسار.
  2. من المساحة الحقيقية إلى المتبادلة
    1. تحويل البيانات 2D من الفضاء الحقيقي إلى المسافة المتبادلة ناقلات سس، ص، ض في وحدات Å-1 باستخدام هذه الصيغة:
      Equation 1  (2)
      هنا، αأنا هو زاوية الإصابة فيما يتعلق العادي من السطح، αو هو زاوية الخروج / النهائي على كاشف (عمودي على كاشف)، 2θو هو زاوية الخروج / النهائي في الطائرة (أفقي على كاشف)، وλ هو الطول الموجي لشعاع الحادث. تفترض الطول الموجي للحفاظ عليها، والمعروف أيضا باسم34تناثر مرنة.
  3. التكامل الأفقي الخط عند خط Yoneda
    1. تحديد إحداثي س و ص لمركز الحزمة، على التوالي، العينة إلى مسافة كاشف (SDD = 1.66 م)، الطول الموجي للأشعة السينية (1.5418 Å)، وحجم بكسل في كل اتجاه (75 × 75 ميكرومتر2).
    2. حساب الموضع المتوقع من خط Yoneda من الزاوية الحرجة للعينة التحقيق28،34،35،36.
    3. استرداد كثافة التشتت كدالة لتشتيت ناقلات س سس، باستخدام السيناريو MatLab أو باستخدام برامج مخصصة مثل DPDAK أو Xi -كام38،39. تنفيذ التكامل الأفقي على طول خط Yoneda كما هو مبين في الشكل 9، مع عرض 50 بكسل لكل جانب لضمان نسبة إشارة مرضية إلى الضوضاء.
  4. بينينغ التكامل الأفقي
    1. لتجنب الإفراط في الختم (انظر الشكل 9، اللوحة اليمنى) وزيادة نسبة الإشارة إلى الضوضاء لناقلات التشتت الكبيرة سس ص، bin البيانات لوغاريتمكال40.
    2. لا تقم بـ bin نقاط البيانات حتى qxy = 0.5 × 10-3Å. وهذا ليس ضرورياً نظراً للكثافة العالية والمسافة المتبادلة في q-space، مما يضمن عدم وجود نقاط بيانات زائدة عن الحاجة.
    3. من س = 0.5 × 10-3ه وما فوق، تقسيم q سص- محور إلى 135 سلال متباعدة بالتساوي على مقياس لوغاريتمي، على هذا النحو أن سلة الأولى في س ص س = 0.53 × 10-3ه هو متوسط من نقطتين البيانات، ونقطة binned النهائي في س Q = 0.3Å هو متوسط من 24 نقطة.
  5. تطبيق نموذج Teubner-Strey
    1. تطبيق ثلاثة مساهمات Teubner-Strey لوصف البيانات. وتصف أول مساهمتين التباين بين الجهة المانحة/المتقبلة، وتصف المساهمة الأخيرة التباين بين مجاميع أكبر من المواد المحاطة بالمذيبات. التعبير الرياضي من كثافة التشتت على النحو التالي:
      Equation 1  (3)
      حيث β هو خلفية ثابتة، والمعلمات 1،ط، ج1،ط، ج2،يتم تعريفI من حيث حجم النطاق، د ط،وطول الارتباط ξ ط،على النحو التالي:

      Equation 1 (4)
      من المعادلات (4)، يمكن التعبير عن حجم النطاق وطول الارتباط كما يلي:
      Equation 1  (5)
      و
      Equation 1  (6)
      حيث d1, ξ1,d2 و 2 ξ2 هي المعلمات لمراحل المانح/المتقبل، و d3 و ξ3 هي المعلمات للمراحل الإجمالية/المذيبات. يتم عرض النماذج المجهزة في الشكل 10. وترد النتائج من النوبات الأربعة، استنادا إلى نموذج Teubner-Strey الموصوف، في الجدول 3.

Representative Results

أولا وقبل كل شيء ، هذه الورقة وصف الأسلوب والبروتوكول لتنفيذ ناجحة لفة إلى لفة في الموقع في الموقع في الموقع في تجربة GISAXS للتحقيق تجفيف رقيقة الأفلام. استنادا إلى تركيب، ويمكن استخلاص أن نموذج Teubner-Strey يصف بنجاح البيانات لP3HT: EH-IDTBR و P3HT:O-IDTBR لكل من 12 و 3 ثوان من التجفيف كما هو مبين في الشكل 10.

ويمكن الاطلاع على مقاييس الطول المميزة المستندة إلى نموذج Teubner-Strey في الجدول 3 مع أوجه عدم اليقين المقابلة في الجدول 4. بالنسبة للنوبات الأربعة، يكون حجم النطاق وطول الارتباط لأعلى qxy وd1 ξ1قريبين من نفس القيمة، حيث يتراوح من 12.0 ± 1.7 نانومتر إلى 12.5 ± 2.2 نانومتر ومن 3.9 ± 0.4 نانومتر إلى 5.0 ± 0.4 نانومتر. هذه الأحجام المميزة اثنين وأطوال مماثلة للقيم المبلغ عنها في الأدب للفيلم الجاف غير التيروغنات الجزء الأكبر من P3HT: IDTBR و P3HT: PCBM41،42. للهياكل الكبيرة، د3 ξ3،وهناك ميل واضح للهياكل لتصبح أكبر لأنها تجف. بالنسبة لـ P3HT:EH-IDTBR، يزيد من 225 ± 10.3 نانومتر إلى 562 ± 11.1 نانومتر، وبالنسبة لـ P3HT:O-IDTBR، فإنه يزيد من 241 ± 4.1 نانومتر إلى 489 ± 9.2 نانومتر. تم العثور على أطوال الارتباط، د2،إلى 30 ± 12 نانومتر و 34 ± 3.5 نانومتر لP3HT:O-IDTBR و 41 ± 14 نانومتر لكل من التجارب P3HT:EH-IDTBR. ومن الجدير بالذكر أن d2 أكثر وضوحًا بعد 3 ثوانٍ من التجفيف مقارنةً بـ 12 ثانية من التجفيف لـ P3HT:O. IDTBR على عكس P3HT:EH-IDTBR، حيث د2 هو أكثر وضوحا بعد 12 ثانية من التجفيف مما كانت عليه بعد 3 ثوان من التجفيف. ولا تحدد هذه التجربة ما إذا كان d2 يذوب للمساهمة في الإشارة التي تم الحصول عليها في d1 أو المجموعة للمساهمة في d3.

استنادا إلى الشكلية التي Teubner - Strey20، والمعلمات المميزة ل1 ،ط، ج1 ،ط، ج2 ،أشير إلى أن المقاييس طول صغير ، و1،1، ج1 ،ج2 ،1،1،2، ج1،2، ج2،2، هي سمة لمرحلة مبكرة من التحلل spinodal حيث المرحلتين هي intermixing 43. وهذا يتفق مع الفهم العام للمورفولوجيا من المانح / قبول intermixing. المقاييس طول كبير،و1،3، ج1،3، ج2،3،هي سمة من مستحلبات الصغرى20،الذي يسببه التباين (الإلكترون كثافة الفرق) بين مجاميع من المواد والمذيبات. من هذه التجربة، فمن المستحيل التمييز بين ما إذا كانت هذه المعلمات المميزة من د3 سببها فرق كثافة الإلكترون بين إما P3HT:O-IDTBR/المذيبات، O-IDTBR/المذيبات، أو P3HT/المذيبات.

لاحتواء نموذج للأشعة السينية، تشتت البيانات هو مشكلة معكوسة متأصلة. لذلك، يمكن تطبيق العديد من النماذج لوصف البيانات مبعثر. لهذا التحليل، تم تطبيق صياغة Teubner و Strey20,44 لتتناسب مع البيانات. ينشأ الإطار من توسيع معلمة الطلب في الطاقة الحرة لانداو لوصف كثافة التشتت من أنظمة على مرحلتين. تفسير النموذج هو بنية هندسية مجردة لنظام من مرحلتين مع حجم نطاق مميز وطول ارتباط كما هو معروف من الميكانيكاالإحصائية 45.

هناك العديد من النماذج المتطورة التي يمكن التنبؤ البيانات 2D من تجارب GISAXS، وبرامج برامج سهلة الاستخدام34،46 لنمجة هذا. عادة، يتم نمذجة بيانات GISAXS من BHJ مع تقريب الموجة المشوهة Born (DWBA) بدقة عالية جدا27،40،47،48. ومع ذلك، فإن العيب الرئيسي هو أن الهيكل على غرار لا يتوافق مع التعقيد المتوقع في BHJ. وأبسط طريقة هو الحد من التحليل إلى س سالاتجاه. عندمايتم النظر فقط 1D خط أفقي في التخفيضات س ص ،فمن الإنصاف أن نفترض أن المساهم الرئيسي في التشتت ينشأ من الهياكل الجانبي الموجود في الفيلم. على افتراض هذا يمكن أن تظهر أن نقل الزخم التي تم استردادها من التخفيضات الخط الأفقي يتوافق مع انتقال SAXS49،50، من حيث مشتق Teubner-Strey20 وبالتالي صالحة للتحليل المقدم هنا.

يتم اختيار هذا النموذج لثلاثة أسباب: أولاً، النموذج هو تعبير تحليلي ثبت أنه يناسب مجموعة متنوعة من الأنظمة ذات المرحلتين بما في ذلك BHJ20و26و51، ويمكن استخدامه لخوارزميات التركيب السريعة للغاية ، والتي تنطبق على مراقبة الجودة على نطاق واسع والقياسات في الموقع. ثانيا ، على حد علمنا ، وهذا النموذج هو في اتفاق مع مورفولوجيا لوحظ لP3HT : O - IDTBR عن طريق المجهر الإلكترون انتقال (TEM)52 والقوة الذرية المجهرية (AFM)42. ثالثاً، إنه نموذج بسيط أي أنه يمتد على مساحة معلمة صغيرة.

وعلاوة على ذلك، توثق هذه الورقة أن فحص حركية التجفيف للخلايا الشمسية العضوية غير الناهية غير الناشفين مع مصدر للأشعة السينية في المنزل أمر ممكن. وبالإضافة إلى ذلك، فإن هذه الطريقة لديها القدرة على أن تكون بمثابة أداة لتسريع البحث في عمليات الـ OPVs المغلفة من رول إلى لفة على نطاق واسع.

Figure 1
الشكل 1: التركيب الكيميائي لـ P3HT و O-IDTBR و EH-IDTBR. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 2
الشكل 2: (يسار) مبدأ العمل من الخلية الشمسية العضوية غير التيروجونية السائبة. أشعة الشمس هو خلق exciton، والتي عند الانفصال يسمح للثقب والإلكترون لنشر إلى الكاثود وأنود، على التوالي. (يمين) الرسم التخطيطي للطاقة من مستويات HOMO و LUMO من المانح والمقبل. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 3
الشكل 3: (يسار) JV-المنحنيات لفتحة لفة يموت المغلفة على الركيزة مرنة P3HT: O-IDTBR و P3HT: EH-IDTBR، المقابلة لأفضل أداء الأجهزة هو مبين في الجدول 1. (يمين) EQE منحنيات فتحة لفة يموت المغلفة على الركيزة مرنة P3HT: O-IDTBR و P3HT: EH-IDTBR. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 4
الشكل 4: صور من اثنين من الحبر، لفة المغلفة على الركيزة PET. أعلى هو P3HT: EH-IDTBR وأسفل هو P3HT: O-IDTBR. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 5
الشكل 5: (يسار) صورة من مصغرة لفة إلى لفة المغطي. 1. أ) 1.b) تشير إلى مركز التناوب من علبة التغذية احباط والمتلقي، على التوالي. المحرك هو على الجانب الخلفي من اللفة إلى لفة المغطي وهو محرك السائر. 2) مراحل الترجمة للرأس طلاء، والتي يمكن أن تتحرك في جميع الاتجاهات الثلاثة، على طول احباط، صعودا وهبوطا، وإلى الخارج وإلى الداخل. 3) فتحة يموت رئيس طلاء، حيث يمكن تثبيت خرطوم مع الحبر. 4) واثنين من لوحات الساخنة، المشار إليها من قبل الأسهم اثنين، والتي سوف تسخين الركيزة تتحرك إلى درجة الحرارة المطلوب. في هذه التجربة، تم تعيين إلى 60 درجة مئوية. يتم التحكم في جميع الأجزاء عن بعد. (يمين) رول إلى لفة معطف تثبيت في نظام المعلومات الجغرافية لديها مجموعة المتابعة. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 6
الشكل 6: مجموعة تجريبية للرعي الحدوث زاوية صغيرة الأشعة السينية تشتت. 1) مصدر الأشعة السينية هو الأنود الدورية التي أدلى بها Rigaku. تم تشغيل الأنود الدوار المصنوع من النحاس في 36 كيلو فولت 36 mA. 2) قسم البصريات، حيثα Cu K fluorescence مميزة من الانود الدوارة من مرآة متعددة الطبقات ترتد واحدة، مما يجعل شعاع أحادي اللون في الطول الموجي: λ = 1.5418 Å. 3) محطة Attenuator، والتي لم يتم تطبيقها لهذه التجربة. 4) قسم ال Collimation، التي تتكون من ثلاثة ثقوب بعد بعضها البعض كما هو مبين مع الأسهم الثلاثة. قطر ثقوب دبوس هي 0.75 ملم، 0.3 ملم، و 1.0 ملم، على التوالي. 5) مصغرة لفة إلى لفة موقف المغطي تعلق على محور متحرك عمودي و goniometer للسيطرة على زاوية الاصابة. 6) أنبوب الطيران في فراغ. 7) ايجر 4M كاشف. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 7
الشكل 7: ثلاث خطوات في إجراء المحاذاة موضحة كبيانات Eiger 4M الخام. (يسار) أولاً، تأكد من عدم وجود شيء يمنع الحزمة المباشرة. في هذا المثال يقع توقف شعاع فقط إلى اليسار وتحت شعاع المباشر. (وسط) مسح العينة على طول المحور الرأسي ووضعها حيث يتم حظر نصف شعاع المباشر من قبل العينة. ثم تدوير العينة لتغيير تدريجيا زاوية وقوع ووضع العينة حيث كثافة شعاع مباشر هو أعلى. يجب أن يتم هذا الإجراء 3-5 مرات للتأكد من أن العينة موازية تماما مع الحزم. (يمين) قم بتدوير العينة حتى يحدث انعكاس واضح على الكاشف. من هذين الموقفين، يمكن حساب زاوية الحادث الدقيق (انظر النص). الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 8
الشكل 8: مرحلتين من الجفاف ينظر من زاويتين مختلفتين. (يسار) هو المرحلة الرطبة، حيث تم تجفيف الفيلم لمدة 3 ثوان قبل أن يتم التحقيق. (الحق) هي المرحلة الجافة حيث كان الفيلم تجفيف لمدة 12 ثانية. وقد تم زيادة التباين لتصور تأثير حواف التجفيف. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 9
الشكل 9: (يسار) البيانات 2D P3HT: O-IDTBR في 12 ثانية من التجفيف مع 3000 ثانية من وقت الاكتساب. يشير المستطيل الأحمر إلى حيث تم تنفيذ التكامل الأفقي والمناطق المكثفة التي تم وضع علامة عليها على أنها قمم الألومنيوم تنبع من لوحة السخان. (يمين) التكامل الأفقي من المستطيل الأحمر حيث يتم حذف ناقلات q للقمم الألومنيوم من التكامل. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 10
الشكل 10: التكامل بيند خط أفقي للتجارب الأربع: P3HT: EH-IDTBR (أسود) و P3HT:O-IDTBR (الأزرق) بحث في كل من 12 ثانية (مثلثات) و 3 ثوان (مربعات) من التجفيف جنبا إلى جنب مع تناسب Teubner-Strey. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

وقت التجفيف (ق) وقت القياس (ق)
P3HT: O-IDTBR 3.0 2732
P3HT: O-IDTBR 12 3000
P3HT: EH-IDTBR 3.0 3000
P3HT: EH-IDTBR 12 3000

الجدول 1: خصائص البصرية الإلكترونية من 1 سم2 الخلايا الشمسية العضوية على أساس P3HT: O-IDTBR و P3HT: EH-IDTBR تظهر كفاءة تحويل الطاقة (PCE)، وكثافة الدائرة القصيرة الحالية (JSC)،وعامل التعبئة (FF)، والجهد الدائرة المفتوحة (VOC)،تحت 100 مل دبليو/ سم2 الإضاءة.

P3HT: EH-IDTBR Pce
(%)		 JSC
(م أ/ سم2)		 Ff
(%)		 VOC
(mV)
1 2.20 5.32 59.43 0.70
2 1.81 4.53 56.97 0.70
3 1.97 4.83 57.55 0.71
4 2.17 5.10 60.00 0.71
5 2.18 5.28 58.49 0.71
متوسط 2.07 5.01 58.49 0.70
نموذج ديف الوقوف 0.15 0.30 1.13 0.00
P3HT: O-IDTBR
1 3.38 7.95 60.48 0.72
2 3.33 7.75 60.36 0.71
3 2.97 7.19 58.72 0.70
4 3.20 7.48 60.15 0.71
5 3.24 7.54 60.68 0.71
متوسط 3.22 7.58 60.08 0.71
نموذج ديف الوقوف 0.14 0.26 0.70 0.00

الجدول 2: نظرة عامة على البيانات. تم إيقاف P3HT:O-IDTBR مع وقت تجفيف 3.0 s بعد 2732 s بسبب خطأ في مضخة الحقنة.

القيم المجهزة د1 [نانومتر] ξ1 [نانومتر] د2 [نانومتر] ξ2 [نانومتر] (د)3 [نانومتر] ξ3 [نانومتر]
EH-IDTBR 12s 12.2 4.7 41 22 562 20
EH-IDTBR 3s 12.0 5.0 41 17 225 18
O-IDTBR 12s 12.4 4.8 34 32 489 16
O-IDTBR 3s 12.5 3.9 30 18 241 13

الجدول 3: القيم المجهزة من التجارب الأربع. جميع وحدات [نانومتر].

اخطاء د1 [نانومتر] ξ1 [نانومتر] د2 [نانومتر] ξ2 [نانومتر] (د)3 [نانومتر] ξ3 [نانومتر]
EH-IDTBR 12s 1.4 0.2 10 3.2 11.1 1.7
EH-IDTBR 3s 1.7 0.4 14 2.1 10.3 1.9
O-IDTBR 12s 2.1 0.3 3.5 2.7 9.2 1.5
O-IDTBR 3s 2.2 0.4 12.0 1.3 4.1 0.6

الجدول 4: الانحرافات المعيارية للقيم المجهزة من التجارب الأربع. جميع وحدات [نانومتر].

Discussion

زاوية الإصابة مهمة جدا لتجربة GISAXS. يمكن أن يكون موضع تساؤل كيف مستقرة سوف تتحرك الفيلم فيما يتعلق بزاوية الإصابة خلال لفة إلى لفة طلاء 18 مترا الفيلم على الركيزة مرنة. للتجارب التي أجريت في هذه التظاهرة، لا يمكننا أن نثبت استقرار الركيزة المتحركة، ولكن البيانات المنشورة السابقة حيث يتم استخدام نسخة قديمة من الإعداد، وثيقة فيلم مستقر18،21. وقد أثبتت تجارب السنكروترون السابقة التي تم فيها استخدام هذا المعطف من رول إلى لفة أن زاوية الإصابة لا تختلف أكثر من ± 0.03 درجة كما تم تقييمها من قبل موضع الحزم المنعك كدالة للوقت (مع دقة زمنية من 0.1 ثانية) ، والتي تساوي ± 12 بكسل من خط Yoneda لهذه التجربة ، في حين، تم إجراء التكامل الخط الأفقي مع ± 50 بكسل. في ظل الافتراض المقدم لهذا التحليل، لن يؤثر هذا التغيير الصغير في زاوية الإصابة على تحليل هذا العمل، وبالتالي يمكن إهماله. في المستقبل، ينبغي إجراء هذا النوع من التجارب دون توقف شعاعي ومع جمع مستمر للبيانات للتحقيق في زاوية الإصابة طوال التجربة.

ومن المعروف أن الحمل الحراري للهواء فوق فيلم التجفيف والضغط النسبي والرطوبة النسبية تؤثر على تجفيف الأغشية الرقيقة؛ وبالتالي، لجعل تجربة قابلة للاستنساخ تماما، وقياس هذه المعلمات بعناية هو ضرورة. المقارنة بين القياسات الأربعة في هذه الورقة صالحة بسبب حقيقة أن هذه المغلفة كانت مغلفة في نفس الظروف بالضبط في نفس اليوم.

لإجراء تجربة نظام المعلومات الجغرافية في الموقع، يجب استيفاء عدة معايير لضمان نجاح التجربة. الاختلافات في كثافة الإلكترون (التباين) بين المواد يجب أن تكون عالية بما فيه الكفاية من أجل أن يكون إشارة التشتت. وقد نشرت المبادئ التوجيهية بشأن هذا الموضوع J. Als-Nielsenوآخرون.

ونظراً لانخفاض تدفق الأشعة السينية لمصدر المختبر بالنسبة إلى السنكروترون، هناك حاجة إلى المزيد من المواد لإجراء مثل هذه التجارب. وبالتالي، فإنه لا ينطبق تماما على اكتشاف المواد ولكن سيكون بمثابة أداة لتحسين تركيبات الأحبار ذات الصلة OPVs. بالإضافة إلى ذلك ، بسبب انخفاض تدفق ، فمن الممكن فقط لإجراء تجارب الخشنة فيما يتعلق بالقرار الزمني للتجفيف الأحبار. خلال هذه التجارب نحن التحقيق 18 مترا من طبقة نشطة أثناء التجفيف. نتوقع اختلافات صغيرة في مورفولوجيا واسعة النطاق طوال التجربة ، وبالتالي فإننا نسبر متوسط 18 متر من الفيلم المغلف. وهذا يحاكي ظروف تصنيع نطاق واسع النطاق. إذا كان لاhomogeneity في غضون بضعة أمتار هي أن تدرس، هناك حاجة إلى الإشعاع السنكروترون.

أداء التعرض من 3000 ثانية ليست التصميم التجريبي الأمثل. وهناك طريقة أكثر قوة هي تنفيذ عدة حالات تعرض أقصر للسماح ب binning زمني مرن من البيانات لتحليل التجانس على نطاق واسع والتحقيق في زاوية الإصابة في جميع الأوقات.

على حد علمنا ، وهذا هو أول مظاهرة من أداء GISAXS في الموقع على لفة إلى لفة طلاء الأحبار لOPVs على مصدر مختبر الأشعة السينية ، على الرغم من أننا قد أظهرت سابقا تجارب مماثلة تحليل إشارة الحيود البلورية54،55. مع هذا العرض التوضيحي والبروتوكول ، ونحن نعتقد أنه سيكون من الأسهل لتطبيق وتنفيذ تجارب GISAXS في الموقع للباحثين والطلاب والمهندسين النامية. ومن المحتمل أن يؤدي ذلك إلى تسريع مجال البحث، لمجرد أنه من الممكن الوصول إلى هذه المعدات على أساس يومي. بالإضافة إلى ذلك، باستخدام اللفة إلى لفة المغطي فمن الممكن لمقارنة أداء الخلايا الشمسية مع الخصائص الهيكلية متحقق في هذه التجربة، 1:1.

هناك حاجة إلى إدخال تحسينات على الإعداد التجريبي لاستغلال جميع مزايا وجود مصدر أشعة سينية في المنزل. بالإضافة إلى زيادة تدفق الأشعة السينية القابل للاستخدام لمصادر مختبرية صغيرة، فإن الخطوة الأولى لتحسين هذه التجربة هي تجنب تشتت القمم من الألومنيوم التي تبالغ في البيانات، كما هو مبين في الشكل 9 (يسار). ويمكن تحقيق ذلك عن طريق تركيب الأشعة السينية امتصاص حامل الركيزة التي يمكن أن تحمل درجات حرارة تصل إلى 150 درجة مئوية للتدفئة المناسبة. بالإضافة إلى ذلك، فإن الشقوق الحرس قبل العينة فقط تحسين نوعية البيانات. هذا العرض ليس حصرا من الفائدة للبحوث في المجتمع الخلايا الشمسية العضوية، ولكن أي مجال الذي هو البحث أو تحسين المعلمات طلاء لتقنيات الأغشية الرقيقة. ومن شأن الجمع بين هذه التقنية و "جياكس" المتزامن، حيث يتم فحص الهياكل البلورية، أن يزيد من عدد المجالات العلمية التي تنطبق فيها تجارب الأشعة السينية من لفة إلى لفة في المنزل.

وبما أن هذه التجارب في الموقع رول إلى لفة هي التحقيق الأفلام الرطبة، فمن المفيد إذا كان المذيب لا يمتص كسور كبيرة جدا من شعاع الأشعة السينية مضيئة. في البوليمر العام: نظم PCBM لها تباين كبير وجنبا إلى جنب مع المذيبات التي لا تحتوي على الكلور (وهو امتصاص الأشعة السينية قوية) سوف تضمن تباين كبير، وبالتالي كثافة تشتت عالية. لهذه التجربة، على النقيض من P3HT:IDTBR صغيرة وجنبا إلى جنب مع المذيبات المكلورة كثافة التشتت منخفضة. هذه المواد ليست مثالية لمثل هذه التجربة، ولكن مثيرة جدا للاهتمام للخلايا الشمسية، وهذا هو السبب في أن هذه التقنية يجب أن تكون أكثر تطورا لضمان أن النظم ذات التباين المنخفض وامتصاص عالية يمكن أن يكون التحقيق كذلك. اختيار النموذج هو العامل الأكثر تحديدًا لإجراء تحليل مقارن عبر العديد من تجارب GISAXS. وفيما يتعلق بالتحليل المقدم في هذه الورقة، طُبق إطار Teubner-Strey لوصف مجموعات البيانات الأربع. أفضل طريقة لاختيار نموذج هو لامتلاك AB initio المعلومات حول شكل وحجم العينة التحقيق. ويمكن تحقيق ذلك من الصور TEM، أو المحاكاة، أو صور المجهر. إن المنطق وراء اختيارنا للنموذج مذكور في النص، ولكن تجدر الإشارة إلى أنه يمكن اختيار العديد من النماذج لوصف بيانات نظام المعلومات الجغرافية هذه. تم تطوير نموذج Teubner-Strey في الأصل لنقل SAXS ولكن بنجاح نمذجة بيانات GIWAXS من الخلايا الشمسية BHJ قبل51 والآن هنا. والتحسينات الأخرى هي تكييف النماذج الهندسية المجردة كما هو معروف من محاكاة الديناميات الجزيئية وتطبيق DWBA على نموذج البيانات 2D. نماذج بديلة تشمل : كائنات هندسية صارمة مع درجة من توزيع تعدد المساحات من الحجم كما وصفها وتطبيقها في53، حيث DWBA ضروري لنموذج البيانات 2D ، مزيج من انعكاسية فريسنل وتوزيعات غاوسية لتناسب نظم مرتبة كما شارك كتلة البوليمرات GISAXS إشارات56، ونماذج الخرز أساسا للعينات البيولوجية57، والهندسة الكسورية58،59.

Disclosures

ليس لدى أصحاب البلاغ ما يكشفون عنه.

Acknowledgments

ويود المؤلفان أن يعترفا بالفنيين اللذين ساعدا في إعادة بناء الجهاز وصيانته، كريستيان لارسن ومايك ويتشمان. وعلاوة على ذلك، يود صاحبا البلاغ أن يشكرا رور ر. سوندرغارد وأندرس سكوفبو غيرتسن على المناقشات المثمرة. وقد دعم هذه الدراسة مجلس البحوث الأوروبي (ERC) في إطار برنامج الاتحاد الأوروبي للبحوث والابتكار في أفق 2020 (منحة سييوا الموحد رقم 2020). ERC-2015-CoG-681881).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Bromoanisole Sigma Aldrich 104-92-7 >99.0 %
Dichlorobenzene Sigma Aldrich 95-59-1 >99.0 %
EH-IDTBR 1-Material BL3144
Eiger X 4M DECTRIS
EQE PV Measurements
Flextrode Infinity PV Custom order 10 mm stripes
JV-Measurements Keithley + JV software 2000E + JV Software
Mini roll to roll coater Custom made Slot die coater on a rotating drum
O-IDTBR 1-Material DW4076P
P3HT 1-Material M1011 RR 97.6 %
PEDOT Sigma Aldrich 155090-83-8
PET Substrate AMCOR FLEXIABLES
Silver ink CCI EUROLAM DuPont 5025 Silver conductor
Syringe Braun Injekt
Syringe pump Syringe pump pro
Tubes Mikrolab Aarhus A/S
X-ray source Rigaku Rotating anode

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Krebs, F. C., Espinosa, N., Hösel, M., Søndergaard, R. R., Jørgensen, M. 25th Anniversary Article: Rise to Power - OPV-Based Solar Parks. Advanced Materials. 26 (1), 29-39 (2014).
  2. Søndergaard, R., Hösel, M., Angmo, D., Larsen-Olsen, T. T., Krebs, F. C. Roll-to-roll fabrication of polymer solar cells. Materials Today. 15 (1-2), 36-49 (2012).
  3. Lucera, L., et al. Guidelines for Closing the Efficiency Gap between Hero Solar Cells and Roll-To-Roll Printed Modules. Energy Technology. 3 (4), 373-384 (2015).
  4. Gu, X., et al. Roll-to-Roll Printed Large-Area All-Polymer Solar Cells with 5% Efficiency Based on a Low Crystallinity Conjugated Polymer Blend. Advanced Energy Materials. 7 (14), 1602742 (2017).
  5. Ding, Z., Stoichkov, V., Horie, M., Brousseau, E., Kettle, J. Spray coated silver nanowires as transparent electrodes in OPVs for Building Integrated Photovoltaics applications. Solar Energy Materials and Solar Cells. 157, 305-311 (2016).
  6. Few, S., Frost, J. M., Nelson, J. Models of charge pair generation in organic solar cells. Physical Chemistry Chemical Physics. 17 (4), 2311-2325 (2015).
  7. Alessandri, R., Uusitalo, J. J., De Vries, A. H., Havenith, R. W. A., Marrink, S. J. Bulk Heterojunction Morphologies with Atomistic Resolution from Coarse-Grain Solvent Evaporation Simulations. Journal of the American Chemical Society. 139 (10), 3697-3705 (2017).
  8. Mirsafaei, M., et al. The influence of electrical effects on device performance of organic solar cells with nano-structured electrodes. Scientific Reports. 7 (1), (2017).
  9. Liu, Q., et al. 18% Efficiency organic solar cells. Science Bulletin. , (2020).
  10. Gertsen, A. S., Castro, M. F., Søndergaard, R. R., Andreasen, J. W. Scalable fabrication of organic solar cells based on non-fullerene acceptors. Flexible and Printed Electronics. 5 (1), 014004 (2020).
  11. Holliday, S., et al. High-efficiency and air-stable P3HT-based polymer solar cells with a new non-fullerene acceptor. Nature Communications. 7, 1-11 (2016).
  12. Yan, C., Barlow, S., Jen, A. K. Y., Marder, S. Non-fullerene acceptors for organic solar cells High Energy Density Nanocomposites Based on Surface-Modified BaTiO3 and a Ferroelectric Polymer View project Organic Solar Cells View project. Nature Publishing Group. 3, 1-19 (2018).
  13. Pascual-San-José, E., et al. Blade coated P3HT:non-fullerene acceptor solar cells: a high-throughput parameter study with a focus on up-scalability. Journal of Materials Chemistry A. 7 (35), 20369-20382 (2019).
  14. Strohm, S., et al. P3HT: Non-fullerene acceptor based large area, semi-transparent PV modules with power conversion efficiencies of 5%, processed by industrially scalable methods. Energy and Environmental Science. 11 (8), 2225-2234 (2018).
  15. Liu, K., et al. Roll-coating fabrication of flexible organic solar cells: comparison of fullerene and fullerene-free systems. Journal of Materials Chemistry. C. (3), (2016).
  16. He, Z., et al. Enhanced power-conversion efficiency in polymer solar cells using an inverted device structure. Nature Photonics. 6 (9), 591-595 (2012).
  17. Andersen, T. R., et al. ambient atmosphere roll-to-roll manufacture of encapsulated large area, flexible organic tandem solar cell modules. Energy and Environmental Science. 7 (9), 2925-2933 (2014).
  18. Rossander, L. H., et al. In-line, roll-to-roll morphology analysis of organic solar cell active layers. Energy and Environmental Science. , 2411-2419 (2017).
  19. Müller-Buschbaum, P. A basic introduction to grazing incidence small-angle X-ray scattering. Lecture Notes in Physics. 776, 61-89 (2009).
  20. Teubner, M., Strey, R. Origin of the scattering peak in microemulsions. The Journal of Chemical Physics. 87 (5), 3195-3200 (1987).
  21. Böttiger, A. P. L., Jorgensen, M., Menzel, A., Krebs, F. C., Andreasen, J. W. High-throughput roll-to-roll X-ray characterization of polymer solar cell active layers. Journal of Materials Chemistry. 22 (42), 22501-22509 (2012).
  22. Herzog, G., et al. In situ grazing incidence small-angle X-ray scattering investigation of polystyrene nanoparticle spray deposition onto silicon. Langmuir. 29 (36), 11260-11266 (2013).
  23. Perlich, J., et al. Pattern formation of colloidal suspensions by dip-coating: An in situ grazing incidence X-ray scattering study. physica status solidi (RRL) - Rapid Research Letters. 6 (6), 253-255 (2012).
  24. Schwartzkopf, M., Roth, S. Investigating Polymer-Metal Interfaces by Grazing Incidence Small-Angle X-Ray Scattering from Gradients to Real-Time Studies. Nanomaterials. 6 (12), 239 (2016).
  25. Fan, Q., et al. High-Performance As-Cast Nonfullerene Polymer Solar Cells with Thicker Active Layer and Large Area Exceeding 11% Power Conversion Efficiency. Advanced Materials. 30 (6), 1-7 (2018).
  26. Liu, F., et al. Fast printing and in situ morphology observation of organic photovoltaics using slot-die coating. Advanced Materials. 27 (5), 886-891 (2015).
  27. Liu, F., et al. Printing Fabrication of Bulk Heterojunction Solar Cells and In Situ Morphology Characterization. Journal of Visualized Experiments. (119), 53710 (2017).
  28. Hexemer, A., Müller-Buschbaum, P. Advanced grazing-incidence techniques for modern soft-matter materials analysis. IUCrJ. 2 (1), 106-125 (2015).
  29. Carlé, J. E., Helgesen, M., Madsen, M. V., Bundgaard, E., Krebs, F. C. Upscaling from single cells to modules-fabrication of vacuum- and ITO-free polymer solar cells on flexible substrates with long lifetime. Journal of Materials Chemistry C. 2 (7), 1290-1297 (2014).
  30. Carlé, J. E., et al. Overcoming the Scaling Lag for Polymer Solar Cells. Joule. 1 (2), 274-289 (2017).
  31. Dectris Technical Specifications EIGER R 4M Detector Systems. , Available from: www.dectris.com (2018).
  32. Riekel, C., Burghammer, M., Davies, R., Gebhardt, R., Popov, D. Applications of Synchrotron Light to Scattering and Diffraction in Materials and Life Sciences. Lecture Notes in Physics. 776 (2009), 91-104 (2009).
  33. Pauw, B. R. Everything SAXS: Small-angle scattering pattern collection and correction. Journal of Physics Condensed Matter. 25 (38), 1-2 (2013).
  34. Babonneau, D. FitGISAXS: Software package for modelling and analysis of GISAXS data using IGOR Pro. Journal of Applied Crystallography. 43 (4), 929-936 (2010).
  35. Yoneda, Y. Anomalous surface reflection of X rays. Physical Review. 131 (5), 2010-2013 (1963).
  36. Schwartzkopf, M., Roth, S. V. Investigating polymer-metal interfaces by grazing incidence small-angle x-ray scattering from gradients to real-time studies. Nanomaterials. 6 (12), (2016).
  37. Liu, J., Yager, K. G. Unwarping GISAXS data. IUCrJ. 5, 737-752 (2018).
  38. Benecke, G., et al. A customizable software for fast reduction and analysis of large X-ray scattering data sets: Applications of the new DPDAK package to small-angle X-ray scattering and grazing-incidence small-angle X-ray scattering. Journal of Applied Crystallography. 47 (5), 1797-1803 (2014).
  39. Pandolfi, R. J., et al. Xi-cam: a versatile interface for data visualization and analysis. Journal of Synchrotron Radiation. 25 (4), 1261-1270 (2018).
  40. Pröller, S., et al. Following the Morphology Formation In Situ in Printed Active Layers for Organic Solar Cells. Advanced Energy Materials. 6 (1), 1501580 (2016).
  41. Pedersen, E. B. L., et al. Structure and crystallinity of water dispersible photoactive nanoparticles for organic solar cells. Journal of Materials Chemistry A. 3 (33), 17022-17031 (2015).
  42. Liang, Q., et al. Separating Crystallization Process of P3HT and O-IDTBR to Construct Highly Crystalline Interpenetrating Network with Optimized Vertical Phase Separation. Advanced Functional Materials. 29 (47), 1807591 (2019).
  43. Allen, S. M. Spinodal Decomposition. Encyclopedia of Materials: Science and Technology. , 8761-8764 (2001).
  44. Schubert, K. V., Strey, R., Kline, S. R., Kaler, E. W. Small angle neutron scattering near Lifshitz lines: Transition from weakly structured mixtures to microemulsions. The Journal of Chemical Physics. 101 (6), 5343-5355 (1994).
  45. Gould, H., Tobochnik, J. Statistical and thermal physics : with computer applications. , Princeton University Press. (2010).
  46. Pospelov, G., et al. BornAgain: software for simulating and fitting grazing-incidence small-angle scattering. Journal of Applied Crystallography. 53, 262-276 (2020).
  47. Wienhold, K. S., et al. Effect of Solvent Additives on the Morphology and Device Performance of Printed Nonfullerene Acceptor Based Organic Solar Cells. ACS Applied Materials & Interfaces. 11 (45), 42313-42321 (2019).
  48. Pröller, S., et al. Electrophoresis Assisted Printing: A Method to Control the Morphology in Organic Thin Films. ACS Applied Materials and Interfaces. 12 (5), 5219-5225 (2020).
  49. Busch, P., Rauscher, M., Smilgies, D. M., Posselt, D., Papadakis, C. M. Grazing-incidence small-angle X-ray scattering from thin polymer films with lamellar structures - The scattering cross section in the distorted-wave Born approximation. Journal of Applied Crystallography. 39 (3), 433-442 (2006).
  50. Busch, P., Posselt, D., Smilgies, D. M., Rauscher, M., Papadakis, C. M. Inner structure of thin films of lamellar poly(styrene-b-butadiene) diblock copolymers as revealed by grazing-incidence small-angle scattering. Macromolecules. 40 (3), 630-640 (2007).
  51. Kozub, D. R., et al. Polymer Crystallization of Partially Miscible Polythiophene/Fullerene Mixtures Controls Morphology. Macromolecules. 44, 5722-5726 (2011).
  52. Köntges, W., et al. Visualizing morphological principles for efficient photocurrent generation in organic non-fullerene acceptor blends. Energy & Environmental Science. , 1259-1268 (2020).
  53. Als-Nielsen, J., McMorrow, D. Elements of Modern X-ray Physics: Second Edition. Elements of Modern X-ray Physics: Second Edition. , John Wiley and Sons. (2011).
  54. Rossander, L. H., Zawacka, N. K., Dam, H. F., Krebs, F. C., Andreasen, J. W. In situ monitoring of structure formation in the active layer of polymer solar cells during roll-to-roll coating. AIP Advances. 4 (8), (2014).
  55. Zawacka, N. K., et al. The influence of additives on the morphology and stability of roll-to-roll processed polymer solar cells studied through ex situ and in situ X-ray scattering. Journal of Materials Chemistry A. 2 (43), 18644-18654 (2014).
  56. Renaud, G., Lazzari, R., Leroy, F. Probing surface and interface morphology with Grazing Incidence Small Angle X-Ray Scattering. Surface Science Reports. 64 (8), 255 (2009).
  57. Hajizadeh, N. R., Franke, D., Jeffries, C. M., Svergun, D. I. Consensus Bayesian assessment of protein molecular mass from solution X-ray scattering data. Scientific Reports. 8 (1), (2018).
  58. Bale, H. D., Schmidt, P. Small-Angle X-Ray-Scattering Investigation of Submicroscopic Porosity with Fractal Properties. Phys. Rev. Lett. 3 (6), (1984).
  59. Anitas, E. M., Slyamov, A. Structural Properties of Additive Nano/Microcellular Automata. Annalen der Physik. 530 (6), 1800004 (2018).

Tags

الكيمياء، الإصدار 169، في الموقع GISAXS، الخلايا الشمسية العضوية، غير فوليرين مقبول، لفة إلى لفة الطلاء، Teubner-Strey، تجفيف الحركية
في الموقع الرعي حدوث زاوية صغيرة الأشعة السينية التشتت على لفة إلى لفة طلاء الخلايا الشمسية العضوية مع أجهزة الأشعة السينية المختبرية
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Korning Sørensen, M., Espindola … More

Korning Sørensen, M., Espindola Rodriguez, M., Castro, M. F., Nambi, A., Kuhn, L. T., Andreasen, J. W. In situ Grazing Incidence Small Angle X-ray Scattering on Roll-To-Roll Coating of Organic Solar Cells with Laboratory X-ray Instrumentation. J. Vis. Exp. (169), e61374, doi:10.3791/61374 (2021).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter