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

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.