La fabricación de la impresión a granel heterounión células solares y In Situ Morfología Caracterización
29 de enero de 2017
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.
El objetivo general de este experimento es demostrar la fabricación de impresión de células solares orgánicas de película delgada y observar la evolución de la morfología de la película delgada durante la evaporación del solvente. Este método ayuda a responder preguntas clave en películas delgadas funcionales, como en células solares de película delgada y recubrimientos de polímeros. La principal ventaja de esta técnica es que las técnicas de procesamiento industrial y sincrotrón se fusionan bien para demostrar el aspecto fundamental de la ciencia de los materiales.
Las implicaciones de este método ayudan a comprender la evolución de la morfología de las películas delgadas adyacentes, lo cual es crucial para determinar la morfología final y el rendimiento del dispositivo. Por lo que esta técnica nos puede dar información en la morfología de la energía fotovoltaica orgánica de película delgada. También podría darnos información en otros materiales, por ejemplo, diodos emisores de luz o materiales funcionales de película delgada.
Para cargar el sustrato, coloque el sustrato de óxido de indio y estaño recubierto de PEDOT:PSS preparado en la placa base del recubridor de matriz de miniranura. Usando el manipulador lineal debajo de la placa de sustrato, ajuste la posición del sustrato para colocarlo justo debajo del cabezal de la impresora. Ajuste la inclinación del cabezal con el manipulador de inclinación bidimensional que sujeta el cabezal de impresión.
Asegúrese de que la cabeza esté colocada verticalmente sobre el sustrato cargado. Ajuste la distancia de la cabeza al sustrato a cero. El motor vertical está acoplado a un sensor de fuerza.
Cuando el cabezal de impresión está flotando, se obtendrá una lectura de fuerza constante a partir del peso del cabezal de impresión y los conjuntos de manipuladores basculantes. Una vez que el cabezal de la impresora toque el sustrato, la lectura se reducirá, marcando la posición cero. Establezca un valor de cabeza en sustrato para ejecutar el experimento.
En este experimento, ajuste el espacio entre la cabeza y el sustrato a 100 micras. A continuación, ajuste el motor de etapa de traslación lineal que se utilizará para imprimir. Establezca la posición del motor de 10 milímetros como punto de partida y la posición del motor de 80 milímetros como punto final.
Establezca la velocidad de impresión en 10 milímetros por segundo mediante la interfaz del software de control del motor. Ajuste la velocidad de aceleración del motor a 100 metros por segundo. Cargue la tinta OPV en una jeringa de un mililitro y monte la jeringa en la bomba de jeringa que está conectada a la impresora de troquel de ranura.
Ajuste los parámetros de impresión en el software de control. Para iniciar el experimento de impresión, escriba la posición del punto de inicio en la ventana de posición del software de control. Esta acción moverá el sustrato al punto de partida.
Comience a bombear la solución en el cabezal del troquel de ranura haciendo clic en iniciar en el software de la bomba de jeringa. Encienda rápidamente el motor de traslación cuando la solución comience a salir del cabezal de impresión. El sustrato se moverá a la posición final.
Detenga la bomba de jeringa y levante el cabezal de impresión utilizando el motor vertical. Apague la aspiradora y retire el sustrato de la placa base. Cargue el sustrato impreso en un horno de vacío durante tres a cinco horas para eliminar el solvente residual.
A continuación, coloque una placa de Petri debajo del cabezal de impresión. Bombee 10 mililitros de cloroformo en el cabezal de impresión para limpiarlo. Recoja la solución de cloroformo contaminada con la placa de Petri.
Configure una caja de helio para suprimir la dispersión del aire en la medición de rayos X. Monte el mini recubridor de troquel de ranura en la caja de helio. Monte un interferómetro óptico en la máquina de impresión para controlar el cambio de espesor durante la evaporación del solvente.
Coloque el sustrato de oblea recubierto PEDOT:PSS en el soporte de sustrato de la impresora y ajuste la posición del cabezal y del sustrato como antes. Purgue la caja de helio para eliminar el aire. El nivel de oxígeno debe ser inferior al 0,3%, lo que puede ser monitoreado por un sensor de oxígeno.
Alinee el sustrato en la posición donde los rayos X inciden en el sustrato y establezca el ángulo de incidencia, que es de 0,16 grados en este caso. Establezca el tiempo de exposición a los rayos X en el método de adquisición de datos. Aquí, use dos segundos como tiempo de exposición, seguidos de tres segundos de tiempo de retardo para evitar daños en el haz del servidor.
Por lo tanto, cada período de experimento es de cinco segundos. Realiza una cola continua de 100 repeticiones tomando 100 fotografías. Asigne un nombre al experimento y elija la ruta de datos para guardar los archivos experimentales.
Mueva el sustrato a la posición inicial ingresando a la posición inicial en el software de control del motor. Encienda el obturador de rayos X y el detector registrará continuamente las señales de difracción y dispersión. A continuación, ponga en marcha la bomba de jeringa para introducir la solución en el cabezal de impresión.
Cuando la solución comience a salir del cabezal de impresión bajo la supervisión de una cámara de vigilancia, inicie rápidamente el proceso de impresión. Cuando se alcanza la posición de medición preelegida, el detector bidimensional capturará la señal de dispersión de la solución. El espesor de la película se controlará mediante un interferómetro.
Así, se registrará la evolución de la morfología de la película delgada. Levante el cabezal de la impresora y límpielo cuando finalice el experimento. Aquí se muestra un sustrato ITO recubierto con mezclas de PCBM de polímeros conjugados.
La película es bastante suave visualmente. El principio y el final de la película recubierta no siempre son uniformes debido al menisco formado y al secado de los bordes. El sustrato recién recubierto finalmente se carga en máscaras de sombra.
La mascarilla se carga en un evaporador para depositar la capa fina del cátodo. Aquí se muestra un dispositivo completo después de la deposición de la capa de cátodo. El rendimiento del dispositivo se mide utilizando un simulador solar de menos de 100 milivatios por centímetro cuadrado.
Aquí hay una curva de voltaje de corriente representativa de un dispositivo recubierto de matriz de miniranura. Se logra una eficiencia de conversión de energía promedio del 5.2% para los dispositivos recubiertos con troquel de ranura, que es similar a la lograda por el recubrimiento por centrifugación. Esta figura representa un experimento típico de dispersión de ángulo pequeño con incidencia de rasante in situ durante el secado con solvente.
La evolución del tiempo está codificada por colores. En la etapa más temprana del secado, donde existía un exceso de solvente, se observa una curva de dispersión roja y las mezclas se mezclan bien. Un pico de dispersión se desarrolló gradualmente alrededor de 0,02 angstroms inversos, lo que indica aproximadamente 60 nanómetros de separación de fases.
Esta información, cuando se combina con los resultados de difracción de rayos X in situ, revela la cinética de la cristalización del polímero y la separación de fases. Una vez dominada, esta técnica se puede hacer en unos cinco minutos si se realiza correctamente. Al intentar estos experimentos, es importante recordar que para cada sistema material tenemos que encontrar la condición ideal.
Esto tiene que ser optimizado para cada experimento. Este método allanó el camino para que los investigadores en células solares de película delgada exploraran la estructura y la relación de propiedades en la fabricación industrial. Después de ver este vídeo, deberías tener una muy buena comprensión de cómo realizar un experimento de impresión in situ en una línea de luz de sincrotrón.
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Resumen
Este artículo presenta un protocolo para fabricar celdas solares de película delgada orgánica utilizando un coater de ranura miniatura. También analiza caracterizaciones estructurales en línea que emplean técnicas de dispersión de sincrotrón.
Componentes Clave del Estudio
Área de la ciencia
- Ciencia de Materiales
- Tecnología de Películas Delgadas
- Energía Solar
Antecedentes
- Las celdas solares de películas delgadas orgánicas son fundamentales para aplicaciones de energía renovable.
- Comprender la morfología de la película delgada es esencial para optimizar el rendimiento del dispositivo.
- La evaporación del disolvente desempeña un papel importante en la evolución de la morfología.
- Las técnicas de sincrotrón ofrecen capacidades avanzadas de caracterización.
Objetivo del estudio
- Demostrar la fabricación por impresión de celdas solares con película delgada orgánica.
- Observar la evolución de la morfología de la película delgada durante la evaporación del disolvente.
- Combinar procesos industriales con técnicas de sincrotrón para obtener conocimientos en ciencia de materiales.
Métodos Utilizados
- Recubrimiento con diodo miniatura para la fabricación de películas.
- Caracterizaciones estructurales en línea mediante dispersión de sincrotrón.
- Observación de la evolución de la morfología durante el proceso de fabricación.
- Análisis de las implicaciones para el rendimiento del dispositivo.
Resultados principales
- La técnica proporciona información sobre la morfología de las fotovoltaicas orgánicas en películas delgadas.
- Demuestra la relación entre las condiciones de procesamiento y la morfología final.
- Los hallazgos pueden ser aplicables a otros materiales, como los diodos emisores de luz.
- El método mejora la comprensión de los materiales funcionales en películas delgadas.
Conclusiones
- Este protocolo une las prácticas industriales con técnicas avanzadas de caracterización.
- Comprender la evolución de la morfología es crucial para optimizar el rendimiento de las celdas solares.
- El enfoque puede orientar investigaciones futuras en diversas aplicaciones de películas delgadas.
Preguntas frecuentes
Relevancia Ejecutiva para la Industria
Este protocolo establece un vínculo entre la investigación de fotovoltaicos orgánicos a escala de laboratorio y la fabricación industrial al permitir la caracterización morfológica en tiempo real y in situ durante el recubrimiento mediante boquilla de ranura. Apoya la confianza predictiva en el desarrollo de celdas solares de película delgada al relacionar las condiciones de procesamiento con el rendimiento final del dispositivo. El enfoque facilita la continuidad traslacional desde el descubrimiento hasta la ampliación al proporcionar información estructural cuantitativa bajo condiciones de fabricación relevantes para la industria.
Aplicaciones Estratégicas en I+D de Biotecnología Farmacéutica
Descubrimiento Temprano y Validación de Blancos
- Valor científico: Permite investigar las relaciones entre estructura y propiedades en películas delgadas funcionales relevantes para recubrimientos bioactivos y dispositivos implantables.
- Valor operativo: Proporciona una plataforma reproducible para evaluar cómo la cinética de evaporación del disolvente influye en la separación de fases a escala nanométrica en sistemas basados en polímeros.
Desarrollo de Cribado y Ensayos
- Valor científico: Genera datos cuantitativos de dispersión resueltos en el tiempo que permiten correlacionar la evolución del espesor de la película y de la morfología con los parámetros del proceso.
- Valor operativo: Facilita la estandarización de ensayos mediante la sincronización de la dispersión de rayos X in situ con el monitoreo interferométrico del espesor durante el recubrimiento por boquilla de ranura.
Investigación Traductacional y Preclínica
- Valor científico: Ofrece una reducción de riesgos mecanicista al revelar la cinética de cristalización del polímero y la separación de fases durante el secado del disolvente.
- Valor operativo: Permite tomar decisiones de avance ajustadas al riesgo al proporcionar retroalimentación estructural in situ que predice la morfología final de la película y su rendimiento funcional.
Integración de la canalización y flujo de trabajo
El método se integra en el continuo de descubrimiento al permitir la evaluación basada en hipótesis de los procesos de formación de películas delgadas, apoyar la identificación de compuestos prometedores mediante correlaciones entre morfología y rendimiento, e informar la traslación preclínica mediante análisis estructurales predictivos.
- Biología del Descubrimiento: Apoya la comprobación de hipótesis sobre cómo las condiciones de procesamiento afectan la organización a escala nanométrica en las capas activas de dispositivos electrónicos orgánicos.
- Selección: Ofrece disponibilidad para ensayos mediante el monitoreo sincronizado y en tiempo real del espesor de la película y de los patrones de dispersión durante la evaporación del disolvente.
- Análisis: Proporciona mediciones cuantitativas de variables dependientes (por ejemplo, posición del pico de dispersión, evolución de la intensidad) que permiten comparar condiciones de procesamiento y resultados estructurales.
- Investigación Traductiva: Conecta el descubrimiento con la continuidad preclínica al establecer relaciones entre estructura y procesamiento que orientan la ampliación de escala y la optimización de dispositivos.
- Reutilización Empresarial: Establece una plataforma reutilizable para evaluar múltiples sistemas de semiconductores orgánicos bajo condiciones de recubrimiento controladas y relevantes para la industria.
Impacto Operativo y Empresarial
- Valor científico: Mejora la confianza predictiva al revelar las vías de evolución de la morfología que determinan la eficiencia final del dispositivo en fotovoltaicos orgánicos.
- Valor operativo: Asegura la reproducibilidad y la estandarización mediante un control preciso de la separación entre cabezal y sustrato, la velocidad de impresión y la entrega de disolvente durante la caracterización in situ.
- Valor estratégico: Mejora las decisiones de avance o interrupción al vincular las lecturas estructurales in situ con el rendimiento del dispositivo ex situ, reduciendo el riesgo de fallos en fases avanzadas en tecnologías de películas delgadas.
- Impacto en la cartera: Permite la priorización ajustada al riesgo de formulaciones de materiales basada en la estabilidad morfológica en tiempo real y la cinética de separación de fases.
Consideraciones de Implementación
- Requiere experiencia en recubrimiento por barra de ranura, dispersión basada en sincrotrón y fotovoltaicos de película delgada.
- Exige acceso a un recubridor miniatura por barra de ranura integrado con una línea de haz de rayos X purgada con helio y con interferometría óptica.
- Necesita una estandarización entre equipos de ingenieros de recubrimiento y científicos de caracterización para la adquisición sincronizada de datos.
- Implica consideraciones de adaptación para distintos sistemas de disolventes y mezclas polímero:aceptor para optimizar la evolución de la morfología.
- Limitado por la necesidad de secado al vacío y de un ambiente inerte para suprimir la dispersión del aire y garantizar la fidelidad de las mediciones.
