Name: Fabrication dimpression de gros hétérojonction cellules solaires et In Situ Morphologie Caractérisation (Vidéo) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-01-29T14:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 32 s
Description: Découvrez la fabrication par impression de cellules solaires organiques à film mince et l'évolution de la morphologie pendant l'évaporation du solvant. Cette méthode combine le procédé industriel avec les techniques de synchrotron pour optimiser les performances des dispositifs photovoltaïques.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Ce travail a été soutenu par Polymer-Based Materials for Harvesting Solar Energy (PHaSE), un centre de recherche sur les frontières énergétiques financé par le département américain de l’énergie, l’Office des sciences de l’énergie de base sous le numéro de subvention DE-SC0001087 et l’Office of Naval Research des États-Unis sous le contrat N00014-15-1-2244. Une partie de cette recherche a été réalisée aux lignes de lumière 7.3.3 et 11.0.1.2 à la source de lumière avancée, Lawrence Berkeley National Laboratory, qui a été soutenue par le DOE, l’Office of Science et l’Office of Basic Energy Sciences.

Préparation Mélange d&#39;encre 1. Photon-actif <ol><li> Peser 10 mg de polymère DPPBT et 10 mg de PC 71 matériau BM (structures chimiques représentées sur la figure 1). Mélangez dans un flacon de 4 ml. </li><li> Ajouter 1,5 ml de chloroforme et 75 ul de 1,2-dichlorobenzène dans le mélange. </li><li> Mettez une petite barre d&#39;agitation dans le flacon, fermer le flacon avec un polytétrafluoroéthylène (PTFE) bouchon, et transférer le flacon sur une plaque chaude. Agiter à ~ 400 rpm, et de la chaleur à ~ 50 ° C pendant la nuit avant de l&#39;utiliser. </li></ol> 2. ITO et Wafer Substrat Nettoyage et préparation <ol><li> Charge de pré-modelée oxyde d&#39;indium - étain (ITO) substrat en verre (1 pouce sur 3 pouces, avec la moitié éliminée ITO) ou plaquette de silicium dans une armoire de nettoyage de Téflon et de mettre le support dans un récipient en verre (figure 2). Ajouter une solution diluée de détergent (300 ml, solution à 1% de détergent universel) dans le récipient en verre et mettre le récipient en verre dans sonicateur et de traitement par ultrasons pendant 15 min.</li><li> Retirez le détergent et rincer le verre ITO avec désionisée (DI) deux ou trois fois. Puis ajouter 300 ml d&#39;eau DI dans le récipient, et mettre le récipient en verre en sonicateur pendant 15 minutes. </li><li> Éliminer l&#39;eau du récipient. Ajouter 300 ml d&#39;acétone dans le récipient, et sonication pendant 15 min. </li><li> Retirer l&#39;acétone. Ajouter 300 ml de 2-isopranol dans le récipient en verre, puis sonication pendant 15 min. </li><li> Déplacer le nettoyage débrochage dans un four. Réglez la température du four à 100 ° C, et attendez 3-5 heures jusqu&#39;à ce que le verre ITO est complètement séché. </li><li> Sortez des substrats nettoyés. Transférez dans un nettoyeur à plasma nettoyant UV-ozone ou l&#39;oxygène. Utilisez UV-ozone ou de plasma à haute puissance pour les nettoyer pour ~ 15 min selon le protocole du fabricant. </li><li> Mettez le substrat nettoyé sur un spin-coater, ajouter 150 ul de poly (3,4-éthylènedioxythiophène) polystyrène sulfonate (PEDOT: PSS) solution sur le substrat nettoyé, et le manteau de rotation à 3000 tpm pour enrobera ~ 30 nm d&#39;épaisseur PEDOT: PSS (PEDOT: PSS 4083) film mince sur soit le verre ITO ou de plaquettes de silicium. </li><li> Décollage de spin substrats recouverts. Transférer les substrats revêtus frais sur une plaque chauffante et recuit à 150 ° C pendant 15 min. </li></ol> 3. Impression de la couche active <ol><li> substrat de charge. Mettez le PEDOT: substrat ITO PSS enduit sur la plaque de base de mini-filière à fente coucheuse. Mettre en marche la pompe à vide qui est reliée au mandrin vide de la coucheuse fente de la filière pour maintenir le substrat serré. (Voir la figure 3 pour localiser les différents composants.) </li><li> Ajustez la position du substrat pour le mettre juste en dessous de la tête d&#39;impression. Cela peut être fait en utilisant le manipulateur linéaire sous la plaque de substrat. </li><li> Ajustez la tête d&#39;inclinaison en utilisant le 2-D basculement manipulateur qui tient la tête d&#39;impression. Assurez-vous que la tête se dresse verticalement au-dessus du substrat chargé. Notez que dans ce processus, la tête d&#39;impression peut être abaissée à proximité du SUBSTRAte. Utilisez l&#39;écart entre la tête d&#39;impression et le substrat pour montrer si la tête est inclinée ou non. Ce sera extrêmement utile quand un substrat de plaquette est utilisée, car une image mineure de la tête d&#39;impression se montrer et il sera beaucoup plus facile de vérifier l&#39;inclinaison. </li><li> Tune la distance de tête-à-substrat à zéro. Le moteur vertical est couplé à un capteur de force. Lorsque la tête d&#39;impression est flottante, une lecture de force constante sera obtenue (à partir du poids de la tête d&#39;impression et de basculement ensembles manipulateurs). Une fois que la tête de l&#39;imprimante touche substrat, la lecture permettra de réduire, marquant la position zéro. Voir Figure 4 pour le réglage de la distance de l&#39; étape. Utilisez le mode de jogging dans le réglage de la distance. NOTE: La plaque manipulateur de translation verticale est reliée à sa base en utilisant des ressorts et la constante du ressort varie légèrement. Ainsi, les petits changements dans capteur de force sont inévitables lors de l&#39;expérience. </li><li> Définissez une valeur en tête-à-substrat pour exécuter l&#39;expérience. Dans cette expérience, définissez lala tête au substrat écart à 100 um. </li><li> Régler le moteur d&#39;étage de translation linéaire qui sera utilisée pour l&#39;impression. Trouver le point de départ et le point final. Notez ces valeurs. La distance Voyage du moteur linéaire est de 100 mm. Ici, réglez 10 mm position du moteur comme point de départ et de 80 mm position du moteur comme point final. </li><li> Régler la vitesse d&#39;impression de 10 mm / s en utilisant le moteur de commande d&#39; interface logicielle (figure 4b). Réglez la vitesse d&#39;accélération du moteur à 100 m / sec. <ol><li> Si le moteur ne fonctionne pas correctement ou le logiciel a une erreur, s&#39;il vous plaît redémarrer le logiciel et cliquez sur &quot;activer&quot; puis &quot;maison&quot; dans l&#39;interface du logiciel. Notez que pendant le processus d&#39;impression, la tête d&#39;impression reste fixe et le substrat se déplace pour distribuer la solution et imiter le processus d&#39;impression industrielle. </li></ol></li><li> Charge DPPBT: Solution PCBM (température ambiante) dans une seringue de 1 ml et monter la seringue sur la pompe à seringue qui est reliée à la fentemourir imprimante. Définissez les paramètres d&#39;impression dans le contrôle de logiciels (diamètre de la seringue et la vitesse d&#39;alimentation de la solution, 0,3 ml / min dans ce cas). </li><li> Commencez l&#39;expérience d&#39;impression. <ol><li> Déplacer le substrat au point de départ en tapant la position du point de départ dans la fenêtre de position dans le contrôle logiciel. Voir la figure 4c pour plus de détails. </li><li> Commencer à pomper la solution dans la tête fente de la filière en cliquant sur le démarrage dans le logiciel de la pompe à seringue. Vous pouvez également actionner manuellement la pompe seringue. Pour chaque revêtement, environ ~ 100 pi de solution seront utilisés. Normalement, utiliser 300 solution ul pour la première impression de temps et utiliser ~ 100 solution ul pour l&#39;impression répétée. </li><li> démarrer rapidement le moteur de translation lorsque la solution commence à sortir de la tête d&#39;impression, et le substrat se déplace vers la position finale. S&#39;il vous plaît noter que ceci est une étape critique. Précharger le moteur de translation se terminant la position dans la fenêtre de position, puis cliquez sur Entrée pour démarrer le moteur movestion. </li><li> Arrêter la pompe de seringue et soulever la tête d&#39;impression en utilisant le moteur vertical. Tournez le vide hors tension et prendre le substrat de la plaque de base. A noter que le volume mort pour cette tête d&#39;impression est de 250 ul, et remplissant ainsi la première fois, prend plus de 250 pi de solution. </li><li> Charger le support imprimé dans un four à vide pendant 5/3 heure pour éliminer le solvant résiduel. </li><li> Mettez une boîte de Pétri sous la tête d&#39;impression. Pompe 10 ml de chloroforme dans la tête d&#39;impression pour nettoyer la tête. Recueillir la solution de chloroforme contaminée par la boîte de Petri. Utilisez des cotons-tiges pour nettoyer la tête d&#39;impression tout en pompant la solution de nettoyage. Après chaque essai de revêtement, nettoyez la tête d&#39;impression, surtout quand une solution différente est utilisée. NOTE: Le DPPBT: solution de PCBM montre une couleur vert foncé. Lorsque le nettoyage est terminé, aucune couleur ne peut être vu à partir du solvant de chloroforme. </li></ol></li></ol> 4. Cathode Electrode Deposition <ol><li> Chargez lela couche active sur le substrat revêtu des masques d&#39;ombre (figure 5) et monter le masque dans la chambre d&#39;évaporation. </li><li> Mettez deux bateaux d&#39;évaporation thermique entre les plots d&#39;électrodes (Figure 6a). Chargez un bateau avec du sel LiF (couvrant à peine le bateau, ~ 0,2 g) et un bateau avec l&#39;aluminium métallique (4 pastilles). </li><li> Fermez la chambre d&#39;évaporation et de la pompe en bas de la chambre d&#39;évaporation à environ 2 x 10 -6 Torr. </li><li> Réglez la chambre pour déposer 1 nm de LiF suivie par 100 nm d&#39;aluminium. Dans le cas présent, utiliser 20% de la puissance pour le dépôt LiF et utiliser 26% de puissance pour Al dépôt. Représenté sur la figure 6b est l&#39;interface de commande de l&#39; évaporateur du système utilisé dans cette étude. </li><li> Arrêtez les pompes d&#39;évacuation et de remplissage de la chambre avec de l&#39;azote gazeux. Lorsque la pression revient à la pression atmosphérique, prendre les substrats out. </li></ol> 5. Mesure du rendement photovoltaïque <ol><li> Préparer une lame de verre qui est la moitié de lalargeur du verre ITO qui est utilisé dans la fabrication de dispositifs. Effectuer cette étape dans une boîte à gants. Coller la colle époxy sur un côté du substrat de verre, et couvrir la zone de l&#39; appareil en utilisant les lames de verre recouvertes d&#39; époxy de colle (voir la figure 11 pour le dispositif de l&#39; échantillon). Lorsque l&#39;époxy a durci, le dispositif sera entièrement scellé. </li><li> Lancer la lampe de simulation solaire et réglée sur AM 1,5 rayonnement avec 100 mW / cm 2. Stabiliser la lampe pendant environ 15 minutes avant la mesure. La figure 7 est le système de mesure de PV utilisé dans cette étude. </li><li> Monter l&#39;appareil sous le simulateur solaire à la distance de l&#39;instrument proposé. Connecter l&#39;anode et la cathode dans le circuit de mesure. Enregistrement d&#39;une courbe courant-tension à l&#39;aide d&#39;un multimètre électrique en utilisant le protocole du fabricant. </li><li> Déterminer la performance du dispositif comme suit: J sc: courant de court - circuit, le courant maximal qu&#39;un dispositif de cellule solaire peut fournir; V oc </sub&gt;: Tension en circuit ouvert, la tension maximale qu&#39;un dispositif de cellule solaire peut fournir; FF: facteur de remplissage, la superficie maximale en courbe IV divisé par J sc * V oc; PCE: puissance rendement de conversion, J sc * V * oc FF / (100mW / cm 2). </li></ol> 6. Synchrotron de mesure de rayons X <ol><li> Mettre en place une boîte d&#39;hélium pour supprimer la diffusion de l&#39;air dans la mesure X-ray. Monter le mini-filière à fente coucheuse dans la zone de l&#39;hélium. Montré dans la figure 8 est le montage expérimental des expériences de diffraction incidence rasante des rayons X en utilisant une boîte d&#39;hélium à la source lumineuse avancée. </li><li> Monter un interféromètre optique sur la machine d&#39;impression pour surveiller le changement d&#39;épaisseur au-dessus de l&#39;évaporation du solvant. Dans cette expérience, utilisez un modèle UVX (par exemple, Filmetrix F20). Les matériaux qui sont utilisés dans cette expérience ont une forte absorption de la lumière 300-900 nm de longueur d&#39;onde. <ol><li> Utiliser une lampe source de interféromètre optique ièmeà absorption évite matériel. Utiliser une lampe de longueur d&#39;onde 1,100-1,700 nm dans cette expérience. Pré-étalonner l&#39;instrument avant l&#39;expérience en suivant ses procédures de fonctionnement. </li></ol></li><li> Mettez le PEDOT: PSS de plaquettes de substrat enduit sur support de substrat de l&#39;imprimante et d&#39;ajuster la position de la tête et du substrat après l&#39;étape 3,2-3,5. Allumez la pompe à vide et assurez-vous que le substrat de plaquette colle au support de substrat étroitement. </li><li> Purger la boîte de l&#39;hélium pour éliminer l&#39;air. On notera que la teneur en oxygène doit être inférieure à 0,3% v, qui peut être contrôlée par le capteur d&#39;oxygène. </li><li> Alignez le substrat à l&#39;endroit où les rayons X empiète sur le substrat (la position finale dans l&#39;impression), et régler l&#39;angle d&#39;incidence, 0,16 ° dans ce cas. Aligner selon le protocole faisceau en ligne. </li><li> Définissez la méthode d&#39;acquisition de rayons X temps d&#39;exposition et les données. Ici, utiliser 2 sec comme le temps d&#39;exposition, et suivi de 3 sec de temps de retard (pour éviter des dommages serveur de faisceau). Ainsi, chaque période d&#39;expérimentation seraêtre de 5 sec. Effectuer une file d&#39;attente continue de 100 répétitions; donc prendre 100 photos. </li><li> Nom de l&#39;expérience et de choisir le chemin de données pour enregistrer les fichiers expérimentaux. Montré dans la figure 9 est la ligne de lumière 7.3.3 interface utilisateur avancée Source de lumière où les paramètres mentionnés ci-dessus peuvent être facilement localisés. </li><li> Déplacer le substrat à la position de départ en entrant la position de départ dans le logiciel de commande de moteur. Démarrez le volet de rayons X et le détecteur continue d&#39;enregistrer des signaux de diffraction / diffusion. </li><li> Démarrer la pompe à seringue pour alimenter la solution dans la tête d&#39;impression. Lorsque la solution commence à éjecter de la tête d&#39;impression (surveillé par une caméra de surveillance), démarrer rapidement le processus d&#39;impression. NOTE: Lorsque la position de mesure pré-choisie est atteinte, le détecteur 2-D va capturer le signal de diffusion de la solution. L&#39;épaisseur du film sera suivie par interféromètre. Ainsi la mince évolution de la morphologie du film sera enregistré. </li><li> Soulevez l&#39;imprimantetête et nettoyer la tête lorsque l&#39;expérience est faite. </li></ol>

<ol><li>Brabec, C. J., et al. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.200903697/abstract">Polymer-Fullerene Bulk-Heterojunction Solar Cells.</a> Adv. Mater. 22 (34), 3839-3856 (2010).</li>
<li>Thompson, B. C., Fréchet, J. M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Polymer-Fullerene+Composite+Solar+Cells%5BTitle%5D)+AND+%22Angew.+Chem.+Int.+Ed%22%5BJournal%5D)">Polymer-Fullerene Composite Solar Cells.</a> Angew. Chem. Int. Ed. 47 (1), 58-77 (2008).</li>
<li>Günes, S., Neugebauer, H., Sariciftci, N. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Conjugated+Polymer-Based+Organic+Solar+Cells%5BTitle%5D)+AND+%22Chem.+Rev%22%5BJournal%5D)">Conjugated Polymer-Based Organic Solar Cells.</a> Chem. Rev. 107 (4), 1324-1338 (2007).</li>
<li>Krebs, F. C., et al. <a target="_blank" href="http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2011/ee/c1ee01891d#!divAbstract">The OE-A OPV demonstrator anno domini 2011.</a> Energy Environ. Sci. 4 (10), 4116(2011).</li>
<li>Krebs, F. C., Tromholt, T., Jørgensen, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Upscaling+of+polymer+solar+cell+fabrication+using+full+roll-to-roll+processing%5BTitle%5D)+AND+%22Nanoscale%22%5BJournal%5D)">Upscaling of polymer solar cell fabrication using full roll-to-roll processing.</a> Nanoscale. 2 (6), 873(2010).</li>
<li>Liu, F., Gu, Y., Jung, J. W., Jo, W. H., Russell, T. P. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/polb.23063/abstract">On the morphology of polymer-based photovoltaics.</a> J. Polym. Sci. Polym. Phy. 50 (15), 1018-1044 (2012).</li>
<li>Liu, F., et al. <a target="_blank" href="https://www.researchgate.net/publication/259095581_Characterization_of_the_morphology_of_solution-processed_bulk_heterojunction_organic_photovoltaics">Characterization of the morphology of solution-processed bulk heterojunction organic photovoltaics.</a> Prog. Polym. Sci. 38 (12), 1990-2052 (2013).</li>
<li>Schmidt-Hansberg, B., et al. <a target="_blank" href="http://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.3270402">In situ monitoring the drying kinetics of knife coated polymer-fullerene films for organic solar cells.</a> J. appl. phys. 106 (12), 124501(2009).</li>
<li>Pearson, A. J., Wang, T., Lidzey, D. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+role+of+dynamic+measurements+in+correlating+structure+with+optoelectronic+properties+in+polymer+fullerene+bulk-heterojunction+solar+cells%5BTitle%5D)+AND+%22Rep.+Prog.+Phys%22%5BJournal%5D)">The role of dynamic measurements in correlating structure with optoelectronic properties in polymer fullerene bulk-heterojunction solar cells.</a> Rep. Prog. Phys. 76 (2), 022501(2013).</li>
<li>Treat, N. D., et al. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.201000023/abstract">Interdiffusion of PCBM and P3HT Reveals Miscibility in a Photovoltaically Active Blend.</a> Adv. Energy Mater. 1 (1), 82-89 (2010).</li>
<li>Collins, B. A., et al. <a target="_blank" href="http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jz101276h">Molecular Miscibility of Polymer-Fullerene Blends.</a> J. Phys. Chem. Lett. 1 (21), 3160-3166 (2010).</li>
<li>Chen, D., Liu, F., Wang, C., Nakahara, A., Russell, T. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Bulk+Heterojunction+Photovoltaic+Active+Layers+via+Bilayer+Interdiffusion%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Lett%22%5BJournal%5D)">Bulk Heterojunction Photovoltaic Active Layers via Bilayer Interdiffusion.</a> Nano Lett. 11 (5), 2071-2078 (2011).</li>
<li>Gu, Y., Wang, C., Russell, T. P. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.201100726/abstract">Multi-Length-Scale Morphologies in PCPDTBT/PCBM Bulk-Heterojunction Solar Cells.</a> Adv. Energy Mater. 2 (6), 683-690 (2012).</li>
<li>Perez, L. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Solvent+Additive+Effects+on+Small+Molecule+Crystallization+in+Bulk+Heterojunction+Solar+Cells+Probed+During+Spin+Casting%5BTitle%5D)+AND+%22Adv.+Mater%22%5BJournal%5D)">Solvent Additive Effects on Small Molecule Crystallization in Bulk Heterojunction Solar Cells Probed During Spin Casting.</a> Adv. Mater. 25 (44), 6380-6384 (2013).</li>
<li>Lee, J. K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Processing+Additives+for+Improved+Efficiency+from+Bulk+Heterojunction+Solar+Cells%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Am.+Chem.+Soc%22%5BJournal%5D)">Processing Additives for Improved Efficiency from Bulk Heterojunction Solar Cells.</a> J. Am. Chem. Soc. 130 (11), 3619-3623 (2008).</li>
<li>Shin, N., Richter, L. J., Herzing, A. A., Kline, R. J., DeLongchamp, D. M. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.201201027/abstract">Effect of Processing Additives on the Solidification of Blade-Coated Polymer/Fullerene Blend Films via In-Situ Structure Measurements.</a> Adv. Energy Mater. 3 (7), 938-948 (2013).</li>
<li>Sødergaard, R., Hösel, M., Angmo, D., Larsen-Olsen, T. T., Krebs, F. C. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369702112700196">Roll-to-roll fabrication of polymer solar cells.</a> Mater. Today. 15 (1-2), 36-49 (2012).</li>
<li>Liu, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Efficient+Polymer+Solar+Cells+Based+on+a+Low+Bandgap+Semi-crystalline+DPP+Polymer-PCBM+Blends%5BTitle%5D)+AND+%22Adv.+Mater%22%5BJournal%5D)">Efficient Polymer Solar Cells Based on a Low Bandgap Semi-crystalline DPP Polymer-PCBM Blends.</a> Adv. Mater. 24 (29), 3947-3951 (2012).</li>
<li>Liu, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Relating+Chemical+Structure+to+Device+Performance+via+Morphology+Control+in+Diketopyrrolopyrrole-Based+Low+Band+Gap+Polymers%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Am.+Chem.+Soc%22%5BJournal%5D)">Relating Chemical Structure to Device Performance via Morphology Control in Diketopyrrolopyrrole-Based Low Band Gap Polymers.</a> J. Am. Chem. Soc. 135 (51), 19248-19259 (2013).</li>
<li>Liu, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fast+Printing+and+In+Situ+Morphology+Observation+of+Organic+Photovoltaics+Using+Slot-Die+Coating%5BTitle%5D)+AND+%22Adv.+Mater%22%5BJournal%5D)">Fast Printing and In Situ Morphology Observation of Organic Photovoltaics Using Slot-Die Coating.</a> Adv. Mater. 27 (5), 886-891 (2015).</li>
</ol>

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

La méthode décrite ici vise à développer un procédé de préparation du film qui peut être facilement mis à l&#39;échelle de la production industrielle. l&#39;impression de film mince et synchrotron morphologie de caractérisation sont les étapes les plus critiques avec le protocole. Dans la recherche laboratoire de VPO échelle précédente, le revêtement par centrifugation est utilisé comme la principale méthode pour fabriquer des dispositifs à couches minces. Cependant, ce procédé utilise la force centrifuge élevée pour ét...

Photovoltaïque organique (OPV) sont une technologie prometteuse pour produire des énergies renouvelables rentables dans un avenir proche. 1, 2, 3 énormes efforts ont été faits pour développer des polymères photo-active et fabriquer des dispositifs à haute efficacité. À ce jour, seules les dispositifs en couches VPO ont obtenu un rendement de conversion de puissance&gt; 10% (PCE). Ces gains d&#39;efficacité ont été réalisés sur des dispositifs à l&#39;échelle de laboratoire en utilisant le revêtement par centrifugation pour produire le film, et la traduction à des appareils de plus grande échelle de taille a été lourde de réductions significatives du PCE. 4, 5 Dans l&#39; industrie, roll-to-roll revêtement de film mince (R2R) sur la base est utilisée pour générer des photons couches minces actives sur des substrats conducteurs, ce qui est tout à fait différent des procédés typiques échelle du laboratoire, en particulier dans le taux d&#39;élimination du solvant. Cela est essentiel puisque les morphologies sont kinetically piégé résultant de l&#39;interaction entre de multiples processus cinétiques, y compris la séparation des phases, la commande, l&#39;orientation et l&#39;évaporation du solvant. 6, 7 Cette morphologie cinétiquement piégées, cependant, détermine en grande partie les performances des dispositifs à cellules solaires. Par conséquent, la compréhension de l&#39;évolution de la morphologie pendant le processus de revêtement est d&#39;une grande importance pour la manipulation de la morphologie de manière à optimiser les performances. L&#39;optimisation de la morphologie, il faut comprendre la cinétique associée à la commande du polymère conducteur de trous dans la solution de solvant est éliminé; 8, 9 quantifier les interactions entre le polymère avec le conducteur d&#39;électrons à base de fullerène; 10, 11, 12 comprendre les rôles des additifs dans la définition du morphologie; 13, 14, 15 et d&#39; équilibrer les vitesses relatives d&#39;évaporation du solvant (s) et des additifs. 16 Il a été un défi pour caractériser l&#39;évolution de la morphologie quantitativement dans la couche active dans un cadre pertinent industriellement. traitement Roll-to-roll a été étudié pour la fabrication de dispositifs à grande échelle VPO. 4, 17 Toutefois, ces études ont été réalisées dans un environnement de fabrication où de grandes quantités de matériaux sont utilisés, ce qui limite efficacement les études de polymères disponibles dans le commerce. Dans cet article, les détails techniques de fabrication de dispositifs de VPO en utilisant un système de revêtement de la filière mini-fente sont démontrées. paramètres de revêtement tels que la cinétique de séchage de film et le contrôle de l&#39;épaisseur du film sont applicables aux grands procédés à l&#39;échelle, ce qui rend cette étude directement liée à l&#39;industrie fabrication. Par ailleurs, une très petite quantité de matière est utilisée dans l&#39;expérience de revêtement fente de filière de mini, ce qui rend ce traitement applicable à de nouveaux matériaux synthétiques. Dans la conception, ce mini-slot die coucheuse peut être monté sur les stations terminales de synchrotron, et le pâturage ainsi l&#39;incidence diffusion aux petits angles de rayons X (GISAXS) et diffraction des rayons X (GIXD) peut être utilisé pour permettre des études en temps réel sur l&#39;évolution de la morphologie dans une large gamme d&#39;échelles de longueur à différentes étapes du processus de séchage du film dans une gamme de conditions de traitement. Les informations obtenues dans ces études peut être transféré directement à un réglage de la fabrication industrielle. La petite quantité de matériaux utilisés permet un criblage rapide d&#39;un grand nombre de matériaux photo-actifs et leurs mélanges dans diverses conditions de traitement. Dicétopyrrolopyrrole semi-cristallin et quaterthiophène (DPPBT) sur la base faible polymère conjugué à bande est utilisé en tant que matériau modèle donneur, et (6,6) -phényl-C71 butyric ester méthylique d&#39; acide (PC 71 BM) est utilisé comme accepteur électronique. 18, 19 Il est montré dans les études précédentes que DPPBT: PC 71 BM mélanges forment grande séparation de phase de taille lors de l&#39; utilisation du chloroforme comme solvant. Un mélange chloroforme: 1,2-dichlorobenzène mélange de solvant peut réduire la taille de la séparation des phases et ainsi augmenter les performances du dispositif. La formation de la morphologie pendant le processus de séchage du solvant est étudiée in situ par diffraction broutage incidence des rayons X et la diffusion. Dispositifs à cellules solaires fabriquées en utilisant la mini-slot die coucheuse a montré une PCE moyenne de 5,2% en utilisant les meilleures conditions de mélanges de solvants, 20 qui est similaire à spin-coating dispositifs fabriqués. La coucheuse mini-filière à fente ouvre une nouvelle voie pour fabriquer des dispositifs de cellules solaires dans un laboratoire de recherche qui imite un processus industriel, de combler une lacune dans la prédiction de la viabilité de ces matériaux dans un rel industrielparamètre perti-.

<table><tbody><tr><td>PC71BM</td><td>Nano-C Inc</td><td>nano-c-PCBM-SF</td><td></td></tr><tr><td>DPPBT</td><td>L’Université du Massachusetts</td><td>Sur</td><td></td>mesure</tr><tr><td>PEDOT :PSS</td><td>Heraeus</td><td>P VP Al 4083</td><td></td></tr><tr><td>Mucasol Nettoyant liquide</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>Z637181</td><td></td></tr><tr><td>Acétone</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>270725</td><td></td></tr><tr><td>Alcool isopropylique</td><td>BDH</td><td>BDH1133</td><td></td></tr><tr><td>Chloroforme</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>372978&nbsp ;</td><td></td></tr><tr><td>1,2-dichlorobenzène</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>240664</td><td></td></tr><tr><td>Fluorure de lithium</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>669431</td><td></td></tr><tr><td>Aluminium</td><td>Kurt Lesker</td><td>EVMAL50QXHD</td><td></td></tr><tr><td>Flacons en verre</td><td>Fisher Scientific</td><td>03-391-7B</td><td></td></tr><tr><td>Nettoyeur à ultrasons</td><td>Cleanosonic</td><td>Branson 2800</td><td></td></tr><tr><td>Four</td><td>WVR</td><td>414005-118</td><td></td></tr><tr><td>Support de nettoyage</td><td>Lawrence Berkeley National Lab</td> Masque <td>d’ombre sur mesure</td><td></td></tr><tr><td></td><td>Lawrence Berkeley National Lab</td><td></td> Nettoyant UV-Ozone sur mesure <td></td></tr><tr><td></td><td>UVOCS INC</td><td>T16X16 OES Boîte à</td><td></td></tr><tr><td>gants</td><td>MBraun</td> Évaporateur <td>sur</td><td></td>mesure</tr><tr><td></td><td>MBraun</td> Matrice à fente <td>sur mesure</td><td></td></tr><tr><td> Coater</td><td>Jema Science Inc</td> Simulateur solaire <td>sur</td><td></td>mesure</tr><tr><td></td><td>Newport</td><td>Classe Newport ABB</td><td></td></tr><tr><td>Spin Coater</td><td>Équipement SCS SCS</td><td>G3</td><td></td></tr><tr><td>Plaque chauffante</td><td>Thermo Scientific</td><td>SP131015Q</td><td></td></tr><tr><td>Mesure des rayons X</td><td>Lawrence Berkeley National</td><td>Lab 7.3.3</td><td></td></tr></tbody></table>

fabrication d'impression de gros hétérojonction cellules solaires et in situ morphologie caractérisation

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

Les matériaux à base de polymères sont prometteurs en tant que dispositifs photovoltaïques peu coûteux, flexibles et efficaces. La plupart des efforts de laboratoire pour obtenir des dispositifs haute performance ont utilisé des dispositifs préparés par revêtement par centrifugation, un processus qui ne se prête pas à une fabrication à grande échelle. Ce décalage dans la fabrication des dispositifs rend difficile la traduction des résultats quantitatifs obtenus en laboratoire au niveau commercial, ce qui rend l’optimisation difficile. À l’aide d’une machine à mini-fente, ce décalage peut être résolu en transposant le processus commercial au laboratoire et en caractérisant la formation de la structure dans la couche active du dispositif en temps réel et in situ lorsque les films sont enduits sur un substrat. L’évolution de la morphologie a été caractérisée dans différentes conditions, ce qui nous a permis de proposer un mécanisme par lequel les structures se forment et grandissent. Cette coucheuse à mini-rainure offre un itinéraire simple, pratique et économe en matériaux par lequel la morphologie de la couche active peut être optimisée dans des conditions industrielles pertinentes. L’objectif de ce protocole est de montrer les détails expérimentaux de la fabrication d’un dispositif de cellule solaire à l’aide d’un enducteur de matrice à mini-fente et les détails techniques de la caractérisation de la structure in situ à l’aide de l’enduiseur de matrice à mini-fente.

La figure 3 est le système de revêtement de la matrice de mini-intervalle. Il se compose d'une machine d'enduction, une pompe à seringue et un boîtier de commande centrale. La machine de revêtement est l'élément essentiel qui se compose d'une tête fente de filière, une étape de translation horizontale et une étape de translation verticale. La tête fente de filière est monté sur la base d'un moteur de translation verticale grâce à un basculement manipulateur 2-D. La <stro...

Ici, nous présentons un protocole pour fabriquer des cellules solaires à couches minces organiques en utilisant une matrice coucheuse mini-slot et caractérisations connexes en ligne de structure en utilisant des techniques de diffusion de synchrotron.

Fabrication d'impression de gros hétérojonction cellules solaires et In Situ Morphologie Caractérisation

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

L’objectif global de cette expérience est de démontrer la fabrication par impression de cellules solaires organiques à couche mince et d’observer l’évolution de la morphologie de la couche mince lors de l’évaporation du solvant. Cette méthode permet de répondre à des questions clés dans les films minces fonctionnels tels que les cellules solaires à couche mince et les revêtements polymères. Le principal avantage de cette technique est que les techniques de traitement industriel et synchrotron sont bien fusionnées pour démontrer l’aspect fondamental de la science des matériaux.L’implication de cette méthode aide à comprendre l’évolution morphologique des couches minces adjacentes, ce qui est crucial pour déterminer la morphologie finale et les performances du dispositif. Cette technique peut donc nous donner des informations sur la morphologie du photovoltaïque organique en couches minces. Il pourrait également nous fournir des informations sur d’autres matériaux, par exemple des diodes électroluminescentes ou des matériaux fonctionnels à couche mince.Pour charger le substrat, placez le substrat d’oxyde d’indium-d’étain revêtu de PEDOT :PSS préparé sur la plaque de base de la mini-machine à fente. À l’aide du manipulateur linéaire situé sous la plaque de substrat, ajustez la position du substrat pour le placer juste sous la tête d’impression. Ajustez l’inclinaison de la tête à l’aide du manipulateur d’inclinaison bidimensionnel qui maintient la tête d’impression.Assurez-vous que la tête se trouve verticalement sur le substrat chargé. Réglez la distance tête-substrat à zéro. Le moteur vertical est couplé à un capteur de force.Lorsque la tête d’impression est flottante, une lecture de force constante sera obtenue à partir du poids de la tête d’impression et des ensembles manipulateurs inclinables. Une fois que la tête d’impression touche le substrat, la lecture diminue, marquant la position zéro. Définissez une valeur tête/substrat pour exécuter l’expérience.Dans cette expérience, réglez l’écart entre la tête et le substrat à 100 microns. Ensuite, ajustez le moteur de l’étage de translation linéaire qui sera utilisé pour imprimer. Définissez la position du moteur de 10 millimètres comme point de départ et la position du moteur de 80 millimètres comme point d’arrivée.Réglez la vitesse d’impression à 10 millimètres par seconde à l’aide de l’interface du logiciel de contrôle du moteur. Réglez la vitesse d’accélération du moteur sur 100 mètres par seconde. Chargez l’encre OPV dans une seringue d’un millilitre et montez la seringue sur le pousse-seringue connecté à l’imprimante à fente.Réglez les paramètres d’impression dans le logiciel de contrôle. Pour démarrer l’expérience d’impression, tapez la position du point de départ dans la fenêtre de position du logiciel de contrôle. Cette action déplacera le substrat jusqu’au point de départ.Commencez à pomper la solution dans la tête de filière à fente en cliquant sur démarrer dans le logiciel de la pompe à seringue. Démarrez rapidement le moteur de translation lorsque la solution commence à sortir de la tête d’impression. Le substrat se déplacera jusqu’à la position finale.Arrêtez la pompe à seringue et soulevez la tête d’impression à l’aide du moteur vertical. Éteignez l’aspirateur et retirez le substrat de la plaque de base. Chargez le substrat imprimé dans un four à vide pendant trois à cinq heures pour éliminer le solvant résiduel.Ensuite, placez une boîte de Pétri sous la tête d’impression. Pompez 10 millilitres de chloroforme dans la tête d’impression pour la nettoyer. Prélever la solution de chloroforme contaminée à l’aide de la boîte de Pétri.Installez une boîte à hélium pour supprimer la diffusion de l’air dans la mesure des rayons X. Montez la mini-coucheuse à fente dans la boîte à hélium. Montez un interféromètre optique sur la machine d’impression pour surveiller le changement d’épaisseur au cours de l’évaporation du solvant.Placez le substrat de plaquette revêtu de PEDOT :PSS sur le support de substrat de l’imprimante et ajustez la position de la tête et du substrat comme auparavant. Purgez la boîte à hélium pour évacuer l’air. Le niveau d’oxygène doit être inférieur à 0,3 %, ce qui peut être surveillé par un capteur d’oxygène.Alignez le substrat à la position où les rayons X frappent le substrat et réglez l’angle d’incidence, qui est de 0,16 degré dans ce cas. Réglez le temps d’exposition aux rayons X dans la méthode d’acquisition des données. Ici, utilisez deux secondes comme temps d’exposition, suivi de trois secondes de temps de retard pour éviter d’endommager le faisceau du serveur.Ainsi, chaque période d’expérience dure cinq secondes. Effectuez une file d’attente continue de 100 répétitions en prenant 100 photos. Nommez l’expérience et choisissez le chemin d’accès aux données pour enregistrer les fichiers expérimentaux.Déplacez le substrat à la position de départ en saisissant la position de départ dans le logiciel de commande du moteur. Démarrez l’obturateur à rayons X et le détecteur enregistrera en continu les signaux de diffraction et de diffusion. Ensuite, démarrez la pompe à seringue pour introduire la solution dans la tête d’impression.Lorsque la solution commence à s’éjecter de la tête d’impression surveillée par une caméra de surveillance, démarrez rapidement le processus d’impression. Lorsque la position de mesure préchoisie est atteinte, le détecteur bidimensionnel capture le signal de diffusion de la solution. L’épaisseur du film sera surveillée par un interféromètre.Ainsi, l’évolution de la morphologie des couches minces sera enregistrée. Soulevez la tête de l’imprimante et nettoyez-la une fois l’expérience terminée. Voici un substrat ITO recouvert de mélanges de PCBM polymères conjugués.Le film est assez fluide visuellement. Le début et la fin du film enduit ne sont pas toujours uniformes en raison du ménisque formé et du séchage des bords. Le substrat fraîchement enduit est finalement chargé dans des masques d’ombre.Le masque est chargé dans un évaporateur pour déposer la fine couche de cathode. On voit ici un dispositif terminé après le dépôt de la couche cathodique. Les performances de l’appareil sont mesurées à l’aide d’un simulateur solaire à moins de 100 milliwatts par centimètre carré.Voici une courbe de tension de courant représentative d’un dispositif à revêtement de matrice mini-fente. Un rendement moyen de conversion de puissance de 5,2 % est atteint pour les dispositifs à revêtement sous forme de matrice à fente, ce qui est proche de celui obtenu par le revêtement par centrifugation. Cette figure représente une expérience typique de diffusion aux petits angles en incidence de pâturage in situ pendant le séchage au solvant.L’évolution temporelle est codée par couleur. Dans les premiers stades du séchage, lorsqu’il y avait un excès de solvant, une courbe de diffusion rouge est observée et les mélanges se mélangent bien. Un pic de diffusion s’est progressivement développé à environ 0,02 angström inverse, indiquant environ 60 nanomètres de séparation de phase.Ces informations, lorsqu’elles sont couplées aux résultats de diffraction des rayons X in situ, révèlent la cinétique de la cristallisation des polymères et de la séparation de phase. Une fois maîtrisée, cette technique peut être réalisée en cinq minutes environ si elle est menée correctement. En tentant ces expériences, il est important de se rappeler que pour chaque système matériel, nous devons trouver la condition idéale.Cela doit être optimisé pour chaque expérience. Cette méthode a ouvert la voie aux chercheurs sur les cellules solaires à couche mince pour explorer la structure et la relation de propriété dans la fabrication industrielle. Après avoir regardé cette vidéo, vous devriez avoir une très bonne compréhension de la façon de mener une expérience d’impression in situ sur une ligne de faisceau synchrotron.

printing-fabrication-bulk-heterojunction-solar-cells-situ-morphology

Research

Recherche

JoVE Journal

Engineering

Ingénierie

Des progrès ont été réalisés dans l’utilisation de la diffusion de l’incidence de pâturage résolue par écho de spin (SERGIS) comme technique de diffusion neutronique pour sonder les échelles de longueur dans des échantillons irréguliers. Des cristallites d’ester méthylique de l’acide [6,6]-phényl-C61-butyrique ont été sondées à l’aide de la technique SERGIS et des résultats confirmés par microscopie optique et à force atomique.

Utilisation de la diffusion de l’incidence de broutage résolue par écho de spin neutronique pour étudier les matériaux des cellules solaires organiques

Le sulfure d’étain (SnS) est un matériau candidat pour les cellules solaires non toxiques abondantes sur Terre. Ici, nous démontrons le processus de fabrication des cellules solaires SnS en utilisant le dépôt de couche atomique, qui donne un rendement de conversion de puissance certifié de 4,36 %, et l’évaporation thermique qui donne un rendement de 3,88 %.

Faire Enregistrez-efficacité SnS cellules solaires par évaporation thermique et Atomic Layer Deposition

La fabrication de réseaux à contraste élevé en tant qu’élément dispersif de séparation du spectre parallèle dans un système photovoltaïque concentré est démontrée. Les procédés de fabrication, y compris la lithographie par nano-impression, la pulvérisation cathodique TiO2 et la gravure ionique réactive, sont décrits. Les résultats de la mesure de la réflectance sont utilisés pour caractériser les performances optiques.

Fabrication de réseaux de contraste élevé pour le fractionnement du spectre dispersif élément d&#39;un système photovoltaïque à concentration

Une méthodologie viable basée sur l’impression par transfert pour introduire des nanostructures métalliques plasmoniques dans les cellules solaires est décrite.  À l’aide de tampons en poly(diméthylsiloxane) à base de nanopiliers, un réseau de nanodisques ordonné à base d’Ag a été intégré à des cellules solaires microcristallines Si hydrogénées standard, ce qui a permis d’améliorer les performances du dispositif grâce au piégeage plasmonique de la lumière.

Intégration de la Lumière de piégeage argent Nanostructures dans hydrogénée microcristalline cellules solaires en silicium par impression par transfert

Cet article étudie l’adéquation de l’impression à jet d’encre pour la fabrication de cellules solaires sensibilisées aux colorants. Une encre nanoparticulaire TiO2 sans liant a été formulée et imprimée sur un substrat de verre FTO. La couche imprimée a été transformée en une cellule d’une surface active de 0,25cm2 et d’une efficacité de 3,5 %.

Impression numérique de dioxyde de titane pour les cellules solaires à colorant

Ce protocole décrit la synthèse et de la solution de dépôt inorganique couche de nanocristaux par couche pour produire minces électroniques de films sur des surfaces non-conductrices. encres à solvant stabilisé peuvent produire des dispositifs photovoltaïques complets sur des substrats de verre par rotation et revêtement par pulvérisation après l'échange de ligand post-dépôt et le frittage.

Fabrication de nanocristaux dispositifs photovoltaïques inorganiques entièrement Solution transformés

Procédé pour, en vrac, hétérojonction cellules solaires imprimables entièrement libre fullerène très stables à l'air sur la base des alcoolates de Ti comme accepteur d'électrons, et la fabrication du polymère donneur d'électrons est décrite ici. En outre, un procédé pour contrôler la morphologie de la couche photoactive par l'encombrement moléculaire des unités alcoxyde de Ti est signalée.

Contrôle Morphologie pour Bulk-hétérojonction cellules solaires organiques-inorganiques entièrement imprimables Basé sur un Ti-alcoolate et Polymer Semiconductor

Nous présentons une étude approfondie sur les effets des différentes méthodes de fabrication des films organiques / inorganiques perovskite minces en comparant les structures cristallines, la densité d'états, les niveaux d'énergie, et en fin de compte les performances des cellules solaires.

Influence des hybrides pérovskites Méthodes de fabrication sur la formation du film, Structure électronique et Performance de cellules solaires

Nous présentons ici un protocole visant à développer haute performance GaP/Si hétérojonction cellules solaires avec une durée de vie élevée Si porteurs minoritaires.

Développement de cellules solaires de hautes performances GaP/Si hétérojonction

Cet article est une démonstration et une ligne directrice pour effectuer et analyser en interne (avec un instrument de radiographie de laboratoire) in situ gisaxs expériences d’encres de séchage sur roll-to-roll slot-die enduit, photovoltaïque organique non fullerène.

In situ Incidence de pâturage Diffusion des rayons X à petit angle sur revêtement roll-to-roll des cellules solaires organiques avec instrumentation aux rayons X de laboratoire

Nous décrivons une méthode d’annealage infrarouge flash utilisée pour la synthèse des films perovskite et mésoscopique-TiO2. Les paramètres d’annealing sont variés et optimisés pour le traitement sur le verre d’oxyde d’étain dopé au fluor (FTO) et le téréphtalate de polyéthylène recouvert d’oxyde d’étain d’indium (ITO PET), donnant par la suite aux appareils des gains d’efficacité de conversion de puissance &gt;20%.

Annealing infrarouge flash pour le traitement des cellules solaires Perovskite

Découvrez la fabrication par impression de cellules solaires organiques à film mince et l'évolution de la morphologie pendant l'évaporation du solvant. Cette méthode combine le procédé industriel avec les techniques de synchrotron pour optimiser les performances des dispositifs photovoltaïques.

Fabrication d'impression de gros hétérojonction cellules solaires et In Situ Morphologie Caractérisation

Explorer plus de vidéos