Tout d’abord, cet article décrit la méthode et le protocole pour effectuer une expérience SIGAXS in situ réussie pour sonder les couches minces de séchage. Sur la base du raccord, on peut déduire que le modèle Teubner-Strey décrit avec succès les données de P3HT:EH-IDTBR et P3HT:O-IDTBR pour 12 et 3 secondes de séchage comme le montre la figure 10.
Les échelles de longueur caractéristiques basées sur le modèle Teubner-Strey se trouvent dans le tableau 3 avec les incertitudes correspondantes dans le tableau 4. Pour les quatre ajustements, la taille du domaine et la longueur de corrélation pour les qxy les plus élevés, d1 et 1, sont proches de la même valeur, variant de 12,0 ± 1,7 nm à 12,5 ± 2,2 nm et de 3,9 ± 0,4 nm à 5,0 ± 0,4 nm. Ces deux tailles et longueurs caractéristiques sont semblables aux valeurs rapportées dans la littérature pour les hétérojonctions en vrac sèches de film de P3HT:IDTBR et P3HT:PCBM41,42. Pour les grandes structures, d3 et 3, il y a une nette tendance pour que les structures deviennent plus grandes à mesure qu’elles sèchent. Pour P3HT:EH-IDTBR il passe de 225 ± 10,3 nm à 562 ± 11,1 nm, et pour P3HT:O-IDTBR il passe de 241 ± 4,1 nm à 489 ± 9,2 nm. Les longueurs de corrélation, d2, se trouvent à 30 ± 12 nm et 34 ± 3,5 nm pour P3HT:O-IDTBR et 41 ± 14 nm pour les deux expériences P3HT:EH-IDTBR. Sensiblement, d2 est plus prononcé après 3 secondes de séchage qu’après 12 secondes de séchage pour P3HT:O. IDTBR par opposition à P3HT:EH-IDTBR, où le d2 est plus prononcé après 12 secondes de séchage qu’après 3 secondes de séchage. La question desavoir si d2 se dissout pour contribuer au signal obtenu à d1 ou à cluster pour contribuer au d3 n’est pas déterminée dans cette expérience.
Basé sur le formalisme par Teubner-Strey20, les paramètres caractéristiques pour un1,i, c1,i, c2,j’indique que les petites échelles de longueur, un 1,1, c1,1, c2,1, un1,2, c1,2, c2,2, sont caractéristiques pour un stade précoce de décomposition spinodale où les deux phases se mélangent43. Ceci est en accord avec la compréhension générale de la morphologie du mélange donneur/accepteur. Les grandes échelles de longueur, un1,3, c1,3, c2,3, sont caractéristiques des micro émulsions20, qui est causée par le contraste (différence de densité électronique) entre les agrégats de matériau et de solvant. De cette expérience, il est impossible de distinguer si ces paramètres caractéristiquesde d3 sont causés par la différence de densité électronique entre p3HT:O-IDTBR/Solvent, O-IDTBR/Solvent, ou P3HT/Solvent.
Pour adapter un modèle aux rayons X, la diffusion des données est un problème inverse inhérent. Par conséquent, plusieurs modèles peuvent être appliqués pour décrire les données de diffusion. Pour cette analyse, la formulation de Teubner et Strey20,44 a été appliquée pour s’adapter aux données. Le cadre provient d’une expansion des paramètres d’ordre de l’énergie libre de Landau pour décrire l’intensité de diffusion des systèmes en deux phases. L’interprétation du modèle est une structure géométrique abstraite d’un système en deux phases avec une taille de domaine caractéristique et une longueur de corrélation connue sous le nom de mécaniquestatistique 45.
Il existe de nombreux modèles sophistiqués qui peuvent prédire les données 2D des expériences GISAXS, et les logiciels conviviaux34,46 pour modéliser cela. Habituellement, les données GISAXS de BHJ sont modélisées avec l’approximation déformée de né d’onde (DWBA) avec la précisiontrès élevée 27,40,47,48. Néanmoins, le principal inconvénient est que la structure modélisée ne correspond pas à la complexité attendue dans un BHJ. Une approche plus simple consiste à limiter l’analyse à la direction qxy. Lorsque seules les coupes horizontales de ligne 1D en qxy sont considérées, il est juste de supposer que le principal contributeur à la diffusion provient des structures latérales présentes dans le film. En supposant cela, il peut être démontré que le transfert d’élan récupéré à partir des coupes de ligne horizontale correspond à la transmission SAXS49,50, d’où Teubner-Streyest dérivé 20 et donc valable pour l’analyse présentée ici.
Ce modèle est choisi pour trois raisons : premièrement, le modèle est une expression analytique qui s’est avérée correspondre à une variété de systèmes en deux phases, y compris BHJ20,26,51, et il peut être utilisé pour des algorithmes de montage très rapide, qui est applicable pour le contrôle de la qualité à grande échelle et pour les mesures in situ. Deuxièmement, à notre connaissance, ce modèle est en accord avec la morphologie observée pour P3HT:O-IDTBR par microscopie électronique de transmission (TEM)52 et microscopie de force atomique (AFM)42. Troisièmement, il s’agit d’un modèle simple, c’est-à-dire qu’il s’étend sur un petit espace de paramètres.
En outre, cet article documente que sonder la cinétique de séchage des cellules solaires organiques non fullerènes avec une source interne de rayons X est possible. En outre, cette méthode a le potentiel de servir d’outil pour accélérer la recherche dans les opvs enduits rouleau-à-rouleau à grande échelle.

Figure 1: Structure chimique de P3HT, O-IDTBR, et EH-IDTBR. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 2 : (Gauche) Principe de travail d’une cellule solaire organique d’hétérojonction en vrac. La lumière du soleil crée un exciton qui, lors de la séparation, permet au trou et à l’électron de se diffuser à la cathode et à l’anode, respectivement. (Droite) Diagramme énergétique des niveaux HOMO et LUMO du donneur et de l’accepteur. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 3 : (Gauche) Courbes JV pour fente de rouleau meurent enduites sur le substrat flexible P3HT:O-IDTBR et P3HT:EH-IDTBR, correspondant aux dispositifs les plus performants indiqués dans le tableau 1. (Droite) Les courbes EQE de la fente de rouleau meurent enduites sur le substrat flexible P3HT:O-IDTBR et P3HT:EH-IDTBR. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 4: Images des deux encres, rouleau enduit sur substrat PET. Haut est P3HT:EH-IDTBR et le bas est P3HT:O-IDTBR. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 5 : (gauche) Image du mini revêtement roll-to-roll. 1. a) 1.b) indiquent respectivement le centre de rotation de la mangeoire et du récepteur de papier d’aluminium. Le moteur est sur le côté arrière du revêtement roll-to-roll et est un moteur stepper. 2) Les étapes de traduction pour la tête de revêtement, qui peut se déplacer dans les trois directions, le long de la feuille, de haut en bas, et vers l’extérieur et vers l’intérieur. 3) La fente meurent tête de revêtement, où un tuyau avec de l’encre peut être attaché. 4) Les deux plaques chaudes, indiquées par les deux flèches, qui chaufferont le substrat en mouvement à la température désirée. Dans cette expérience, il a été réglé à 60 °C. Toutes les pièces sont contrôlées à distance. (Droite) Revêtement roll-to-roll installé lors de la mise en place de GISAXS. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 6: Mise en place expérimentale pour la diffusion des rayons X à petit angle d’incidence de pâturage. 1) La source de rayons X est une anode rotative faite par Rigaku. Une anode rotative en cuivre a été actionnée à 36 kV 36 mA. 2) Section optique, où la fluorescence caractéristique Cu Kα de l’anode rotative diffract d’un miroir multicouche à rebond unique, qui rend le faisceau monochrome à longueur d’onde: ν=1.5418 Å. 3) Station atténuante, qui n’a pas été appliquée pour cette expérience. 4) Section de collimation, composée de trois trous d’épingle l’un après l’autre comme indiqué avec les trois flèches. Le diamètre des trous d’épingle est de 0,75 mm, 0,3 mm et 1,0 mm, respectivement. 5) Mini position de revêtement roll-to-roll attachée à un axe mobile vertical et un goniomètre pour contrôler l’angle d’incidence. 6) Tube de vol dans le vide. 7) Détecteur Eiger 4M. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 7: Trois étapes de la procédure d’alignement illustrées sous forme de données Eiger 4M brutes. (Gauche) Tout d’abord, assurez-vous qu’il n’y a rien qui bloque le faisceau direct. Dans cet exemple, l’arrêt du faisceau est situé juste à gauche et sous le faisceau direct. (Milieu) Scannez l’échantillon le long de l’axe vertical et placez-le là où la moitié du faisceau direct est bloquée par l’échantillon. Faites ensuite pivoter l’échantillon pour changer graduellement l’angle d’incidence et placez l’échantillon là où l’intensité du faisceau direct est la plus élevée. Cette procédure doit être effectuée 3-5 fois pour s’assurer que l’échantillon est complètement parallèle au faisceau. (Droite) Faites pivoter l’échantillon jusqu’à ce qu’une réflexion claire se produise sur le détecteur. À partir de ces deux positions, l’angle exact de l’incident peut être calculé (voir texte). S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 8: Deux étapes de séchage vues sous deux angles différents. (À gauche) est l’étape humide, où le film a été séchage pendant 3 secondes avant d’être sondé. (À droite) est le stade sec où le film sèche depuis 12 secondes. Le contraste a été augmenté pour visualiser l’effet du séchage des bords. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 9 : (Gauche) Données 2D P3HT:O-IDTBR à 12 secondes de séchage avec 3000 secondes de temps d’acquisition. Le rectangle rouge indique où l’intégration horizontale a été effectuée et les zones intenses marquées comme des pics d’aluminium provient de la plaque chauffante. (Droite) L’intégration horizontale du rectangle rouge où les q-vecteurs des pics d’aluminium sont omis de l’intégration. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 10: Intégration de la ligne horizontale binned pour les quatre expériences: P3HT:EH-IDTBR (noir) et P3HT:O-IDTBR (bleu) sondé à la fois 12 secondes (triangles) et 3 secondes (carrés) de séchage avec les ajustements Teubner-Strey. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
| Temps de séchage (s) | Mesure du temps (s) |
| P3HT:O-IDTBR | 3.0 | 2732 |
| P3HT:O-IDTBR | 12 | 3000 |
| P3HT:EH-IDTBR | 3.0 | 3000 |
| P3HT:EH-IDTBR | 12 | 3000 |
Tableau 1 : Caractéristiques optoélectroniques de 1 cm2 cellules solaires organiques basées sur P3HT:O-IDTBR et P3HT:EH-IDTBR montrant l’efficacité de conversion de puissance (PCE), la densité de courant de court-circuit (JSC),le facteur de remplissage (FF), et la tension de circuit ouvert (VOC), moins de 100 mW/cm2 illumination.
| P3HT:EH-IDTBR | Pce (%) | JSC (en) (mA/cm2) | 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 |
| Moyenne | 2.07 | 5.01 | 58.49 | 0.70 |
| stand dev échantillon | 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 |
| Moyenne | 3.22 | 7.58 | 60.08 | 0.71 |
| stand dev échantillon | 0.14 | 0.26 | 0.70 | 0.00 |
Tableau 2: Vue d’ensemble des données. P3HT: O-IDTBR avec un temps de séchage de 3,0 s a été arrêté après 2732 s en raison d’une erreur de pompe seringue.
| Valeurs ajustées | d1 [nm] | ρ1 [nm] | d2 [nm] | ン2 [nm] | d3 [nm] | ρ3 [nm] |
| 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 |
Tableau 3 : Valeurs ajustées des quatre expériences. Toutes les unités de [nm].
| Erreurs | d1 [nm] | ρ1 [nm] | d2 [nm] | ン2 [nm] | d3 [nm] | ρ3 [nm] |
| 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 |
Tableau 4 : Écarts types des valeurs ajustées des quatre expériences. Toutes les unités de [nm].