Summary
이 백서는 롤투롤 슬롯다이 코팅, 비 풀러렌 유기 태양광에 잉크건조의 SITU GISAXS 실험에서 사내 (실험실 X 선 악기와) 수행하고 분석하는 데모 및 지침입니다.
Abstract
당사는 착착 시 유기 태양광(OpV)에서 활성층의 롤투롤 슬롯다이 코팅의 건조 운동을 탐사하기 위해 개발된 사내 방목 발생 작은 각도 X선 산란(GISAXS) 실험을 제시합니다. 이 데모를 위해, 초점은 P3HT:O-IDTBR 및 P3HT:EH-IDTBR의조합에, 이는 다른 건조 운동및 장치 성능을 가지고, 그들의 화학 구조는 작은 분자 수용자의 사이드 체인에 의해 약간 변화에도 불구하고. 이 문서에서는 Situ GISAXS 실험에서 수행할 단계별 가이드를 제공하고 결과를 분석하고 해석하는 방법을 보여줍니다. 일반적으로 이러한 유형의 시트X선 실험을 수행하여 OpV에서 활성 층의 건조 운동학을 조사하면 싱크로트론에 대한 액세스에 의존합니다. 그러나, 본 논문에 기재된 방법을 사용하고 추가로 개발함으로써, 건조 잉크의 형태에 대한 근본적인 통찰력을 얻기 위해 매일 거친 시간적 및 공간 해상도로 실험을 수행할 수 있다.
Introduction
유기 태양광(OpV)은 가장 유망한 신흥 태양전지 기술 중 하나입니다. OpV는 놀라운 짧은 에너지 회수 시간1을가진 무독성 물질을 기반으로 비용 효율적인 재생 에너지 원의 대규모 생산을 가능하게 할 수 있습니다. OpV의 광활성 부품은 약 300-400nm 두께의 전도성 폴리머 및 분자층으로, 롤투롤 코팅 기술1에의해 분당 몇 미터의 속도로 인쇄할 수 있다. 이 박막 기술은 유연하고, 다채롭고, 가볍고, 사물 인터넷, 건물 통합, 장식 설치 및 매우 큰 규모의 설치/비설치와 같은 새로운 태양 에너지 시장을 위한 길을 열어줍니다2,3,4,5. 또한, OpV는 풍부하고 무독성 요소로만 구성되어 생산 및 재활용을 모두 저렴하게 만듭니다. 따라서 이 기술은 산업과 학계에서 점점 더 주목받고 있습니다. 유기 태양전지를 구성하는 전체 스택에서 각 층을 최적화하기 위해 엄청난 노력이 이루어졌으며, 많은 이론적 및 실험 연구는 OPV6,7,8의기본 물리학을 이해하기 위해 수행되었습니다. 이 기술에 대한 엄청난 관심은 실험실에서 제작된 챔피언 장치가 18% 효율9를초과하는 현재 상태로 필드를 밀어 붙였습니다. 그러나, 제조(즉, 경질 기판의 스핀 코팅에서 유연한 기판에 대한 확장 가능한 증착으로 이동)를 업스케일링하면효율성(10)의상당한 손실을 수반한다. 따라서 이러한 격차를 해소하는 것이 가장 중요하며, 이는 상용화된 다른 박막 태양전지 기술과 경쟁이 치열해질 수 있습니다.
OPV는 여러 기능층으로 구성된 박막 기술입니다. 이 데모에서 초점은 전적으로 광활성 레이어에 있습니다. 이 층은 광자가 흡수되고 광전류가 생성되는 위치이기 때문에 특히 중요합니다. 일반적으로, 광활성 층은 적어도 두 개의 성분, 즉 기증자 및 수용인으로 구성됩니다. 여기서, 초점은 도1에도시된 바와 같이 화학수식과 함께 O-IDTBR 또는 EH:IDTBR과 조합하여 기증자 폴리머 P3HT에 있다. 광활성 층의 최적 설계는 도 2에도시된 바와 같이 화합물이 장치 전체에 끼어있는 벌크 이종(BHJ)으로 설명된다. BHJ는용액(10)에서기증자 및 수용체로 구성된 잉크를 슬롯다이 코팅하여 얻어진다. 젖은 잉크를 기판에 코팅하는 동안 용매 분자가 증발하여 기증자와 수용자가 혼합 된 상태로 남깁니다. 위상 분리, 방향, 주문 및 크기 분포와 관련하여 기증자/수용자의 분포는 일반적으로 BHJ의 형태라고합니다. 활성 층의 형태는 작동 원리4,12의특성으로 인해 태양 전지 성능에 중요한 역할을 한다. 작업 원리는 도 2에 도시되고 네 단계로 설명될 수 있다: 첫째, 들어오는 광자흡수되어 가장 높은 점유 분자 궤도(HOMO)에서 가장 낮은 비어 있는 분자 궤도(LUMO)까지 전자를 흥분시킵니다. 구멍(호모의 빈 상태)과 흥분된 전자가 함께 묶여 있습니다. 이 바운드 전자 구멍 쌍은 엑시톤이라고합니다. 둘째, 엑시톤은 자유롭게 움직일 수 있으며, 대략적인 의미 자유 경로는 재조합 전에 20 nm6이다. 셋째, 엑소톤이 기증자와 수용자 사이의 인터페이스에 가까스로 있을 때, 기증자의 호모에 있는 수용자의 LUMO 및 자유 구멍에서 자유 전자로 해리하는 것이 활발히 유리하다. 넷째, 장치가 회로에 연결되어 있는 경우, 충전은 양극및 음극으로 이송됩니다. OpV의 기능을 향상시키기 위해 형태는 BHJ가 들어오는 광자를 최대한 많이 흡수하고 가능한 한 많은 이동 요금을 생성하도록 하기 위해 네 단계 각각을 수용하도록 최적화되어야 합니다. 최적의 형태학의 큰 과학적 문제는 남아있다.
이것은 여전히 열려있는 질문이며, 기증자와 수락자의 특정 조합에 대한 형태를 최적화하기위한 절차는 지금까지 시행 착오에 의해 수행됩니다. 블렌드 P3HT:O-IDTBR 및 P3HT:EH-IDTBR에 대한 최적의 코팅 조건이13,14로보고되었다. 유사한 실험 파라미터는 콴리우 외15에의해 설명된 바와 같이 60°C에서 유연한 기판에 코팅된 P3HT:O-IDTBR 및 P3HT:EH-IDTBR 롤 코팅을 모두 준비하기 위해 여기에 사용되었다. 롤 코팅 된 OPV는 반전 된 구조(16)를 가지고 있으며, 구조 PET / Ag 그리드 / PEDOT : PSS / ZnO /P3HT : O-IDTBR 또는 EH-IDTBR / PEDOT : PSS / Ag-그리드와 함께 인듐 틴 옥사이드 (ITO-free)가없는 유연한 기판에서 제작되었습니다: O-IDTBR 또는 EH-IDTBR /PEDOT : PSS / Ag-그리드, 어디 빛이 페트를 통해 입력. PEDOT:PSS는 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오페네) 폴리스티렌 설포네이트및 PET는 폴리(에틸렌 테레프탈레이트)에 대한 약어이다. 제조 후, 최종 스택은 1cm2의광활성 영역을 가진 작은 태양 전지로 절단된다.
태양전지의 성능을 특성화하는 표준 수단은 전류 밀도 대 전압(J-V) 곡선 및 외부 양자 효율(EQE) 스펙트럼을 측정하는 것을 포함한다. P3HT:O-IDTBR 및 P3HT:EH-IDTBR모두에 대해 결과는 도 3 및 표 1에표시됩니다. P3HT:EH-IDTBR 태양전지의 낮은 2.2%PCE는 P3HT:O-IDTBR 7.7 Ω·cm2의 P3HT에 비해 9.0 Ω/cm2의 계열 저항(Rs)에 의해부분적으로 제한되는 낮은 단락 전류(JSC)로인해 부분적으로 제한된다. 개방 회로 전압 (VOC),는두 수용자의 전자 유사성을 반영하는 두 장치(표 1)에서유사합니다. P3HT:O-IDTBR 및 P3HT:EH-IDTBR 태양전지의 태양광 대역 격차는 각각 1.60 eV 및 1.72 eV이며, 도 3에 도시된 EQE의 적색변에 의해 관찰된 광학 특성과 합의하여 엔리케 P. S. J. 외13에의해 보고되었다. 일반적으로, 적색변은 보다 결정적인 구조로 인해, 따라서 O-IDTBR은 특정 코팅 조건에 대한 EH-IDTBR보다 결정성의 높은 정도를 소유할 것으로 예상된다. P3HT:O-IDTBR 태양전지의 개선된 JSC는 부분적으로 광범위한 스펙트럼 흡수력과 장치 처리 개선으로 인해 됩니다. EH-IDTBR 및 O-IDTBR 기반 장치에 대한 통합 EQE 전류는 도 3에도시된 바와 같이 5.5 및 8.0 mA/cm2 이하 1일 조명이다. EQE 프로파일에서, 1:1 질량 비율이 P3HT:O-IDTBR에 이상적이지만 P3HT:EH-IDTBR에적합하지 않다는 것을 알 수 있다. 장치 성능의 차이는 P3HT:EH-IDTBR 필름에 핀홀이 있는 반면 P3HT:O-IDTBR은 도 4에표시된 것처럼 매끄럽게 나타납니다. P3HT:EH-IDTBR 재료 시스템의 핀홀은 태양 전지 제조 중에 후속 PEDOT:PSS 층으로 덮여 있어 장치의 단락을 방지합니다. 또한, 수용자의 측면 사슬은 각각 선형및 분기되어 용해도가 다르기 때문에 건조 운동학이 있습니다. 2015년18년에처음 입증된 바와 같이, 태양전지제조(17)의동일한 코팅 조건을 모방한 코팅을 하는 동안 미니 롤 투 롤 코터를 사용하여 건조 운동학을 조사할 수 있다.
여기서, 우리는 사내 X 선 소스로 OpV용 건조 잉크의 형태를 조사하기 위해 SITu GISAXS 실험에서 수행 할 개선 된 미니 롤 - 투 롤 슬롯 다이 코팅 기계의 응용 프로그램을 제시한다. GISAXS는박막(19)에서또는 씬 필름에서 크기, 모양 및 방향 분포를 프로브하는 것이 바람직한 방법입니다. GISAXS 실험을 수행할 때 샘플을 조사하는 산란된 X선은 2D 검출기에서 수집됩니다. 어려운 부분은 연구 중인 샘플에서 원하는 정보를 검색할 수 있는 올바른 모델을 선택하는 것입니다. 따라서, 샘플 구조에 관한 사전 정보는 적합한 모델을 선택하는 데 필수적이다. 이러한 지식은 원자력 현미경 검사법(AFM), 투과 전자 현미경(TEM), 또는 분자 역학 시뮬레이션7로부터얻을 수 있다. 여기서, 우리는 건조하는 동안 BHJs에 대한 잉크 내부의 도메인의 크기 분포를 검색하기 위해 Situ GISAXS 실험에서 얻은 데이터를 모델링하기 위해 Teubner와 Strey(20)의 프레임 워크를 적용하는 이유와 방법을 제시 할 것입니다. 미니 롤 투 롤 코터를 사용하는 두 가지 이점이 있습니다. 첫째, 대규모 생산을 모방 1:1; 따라서, 우리는 장치 성능과 활성 층을 직접 비교할 수 있다고 확신합니다. 둘째,이 방법을 사용하여, 우리는 실험실 X 선 소스와 함께 시상 실험을 허용하기 위해 빔에 충분한 신선한 잉크를 가질 수있다. GISAXS를 사용하여 박막의 형태를 수행하고 분석하는 방법은 지난 10년 동안18,21,22,23,24,25, 26,27,28에걸쳐 급속히 발전해 왔다. 일반적으로, 옵프에서 활성 층의 건조 운동학을 조사하기 위해 SITU GISAXS 실험에서 수행할 때, 싱크로트론 소스는18,26,27이필요하다. 싱크로트론 방사선은 일반적으로 사내 X선 소스보다 더 나은 시간 해상도와 더 나은 통계를 제공하기 위해 이러한 실험을 수행하는 것이 바람직합니다. 그러나, 싱크로트론은 매일 사용할 수 없으며 생산 라인에 맞게 조정할 수 없으므로 사내 X 선 소스는 잉크 제형, 코팅 조건을 최적화하고 건조 운동학의 물리학에 대한 근본적인 통찰력을 얻기위한 유용한 일상적인 도구로 작용할 수 있습니다. 사내 X선 소스를 사용하는 가장 중요한 단점은 재료 소비입니다. X선의 플럭스가 싱크로트론보다 최소 5배 더 작기 때문에 충분한 통계를 얻기 위해서는 더 많은 재료가 필요합니다. 따라서 이 기술은 소량의 재료만 접근할 수 있는 새로운 물질 발견에 아직 적합하지 않습니다. 또한확장성(29)의지배적인 요소인 저렴하고 합성하기 쉬운 재료의 경우, 이 방법은 대규모 롤 투 롤 코팅 된 OPV10, 30의효율 격차를 해소하기 위해 싱크로트론의 사용에 유리할 것이다.
이 문서에서는 ItISAXS 실험에서 수행하여 대규모 OpV 생산에 적용되는 잉크의 건조 역학을 조사하도록 독자를 안내합니다. 데이터 감소 및 분석의 예는 데이터를 해석하기 위한 다양한 모델에 대한 논의와 함께 제공됩니다.
Protocol
이 프로토콜은 다섯 개의 하위 섹션으로 나뉩니다. 첫째, 잉크 준비 절차가 제공됩니다. 둘째, 롤투롤 슬롯다이 코팅을 준비하고 수행하는 절차가 설명된다. 셋째, Situ GISAXS 실험에서 수행하기 위한 단계별 가이드가 제시된다. 넷째, 데이터 수정 및 분석 절차가 설명되어 있습니다. 마지막으로 결과가 보고되고 논의됩니다.
1. 롤 투 롤 코팅잉크 준비 (1 일)
- 실험을 시작하기 전에 폴리머, 분자 및 용매의 MSDS를 주의 깊게 읽으십시오.
- 10mL 바이알에 90 mg의 O-IDTBR과 90 mg의 P3HT를 배치합니다.
- P3HT:O-IDTBR 고형물을 디클로로벤젠:브로모아니솔(0.95:0.05) 용매 혼합물의 4.5mL에 용해한다. 잉크의 최종 농도는 다음 180 mg / 4.5 mL = 40 mg / mL입니다.
- 용액에 자기 교반기를 넣고 유리병을 즉시 밀봉합니다. 밀봉된 유리알을 뜨거운 접시에 자석 회전기로 놓습니다. 회전을 300rpm으로 설정하고 핫 플레이트를 60°C로 설정하고 12시간 동안 저어줍니다.
- P3HT:EH-IDTBR에대한 잉크 준비 절차를 반복합니다.
2. 롤 투 롤 슬롯 다이 코팅 을 준비하고 수행 (2 일)
- 회전과 핫 플레이트를 끕니다. 그것을 사용하기 전에 적어도 1 시간 핫 플레이트에서 바이알을 제거하여 코팅 시 잉크의 실온을 달성하십시오.
- 피더 롤에 PET 기판 호일 의 바람 18 m. 도 5에도시된 바와 같이 기판의 프리 엔드를 윈더 롤에 부착한다. 모터를 시작하여 호일 0.2m를 실행하여 기판을 조입니다.
- 롤 투 롤 설정의 첫 번째 핫 플레이트를 원하는 온도(즉, 60°C)로 설정합니다. 두 번째 핫 플레이트를 80°C로 설정하여 와인더 롤에 감을 때 필름이 건조되도록 합니다. 두 개의 핫 플레이트의 온도가 안정될 때까지 약 15분 정도 기다립니다.
- 잉크 2.2mL를 3mL 주사기에 로드합니다. 펌프에 주사기를 장착합니다. 주사기에서 슬롯 다이 코팅 헤드에 튜브를 부착합니다.
- 수평 변환 단계를 조정하여 첫 번째 핫 플레이트의 끝에 코팅 헤드를 놓고 반월 상 연골 가이드를 기판 위에 약 5mm 배치합니다.
- 다음 코팅 설정에서 주사기 펌프를 설정 : 속도 : 0.08 mL / 분, 주사기의 직경 : 12.7 mm.
- 이 수식에 따라 이동 기판의 유량, f및 속도를 조정하여 활성 층 d의 두께를 제어합니다.
여기서 w는 필름의 폭 (반월 상 연골 가이드에 의해 결정됨)이며, θ는 잉크소재의 밀도입니다. 이 실험에서는 f=0.08 mL/min의 유량으로 v=0.6m/min을 사용하여 425nm의 건조한 두께를 가진 필름을 생성합니다. - 중요한 단계: 주사기에서 호스를 통해 잉크를 수동으로 누르고 잉크가 코팅 헤드에 도달하기 전에 1cm를 중지합니다. 주사기 펌프를 시작하고 반월 상 연골 가이드의 전체 폭을 적재하는 물방울을 기다립니다. 즉시 코팅 헤드를 낮기 위해 기판을 잉크로 적시고 기판 위의 코팅 위치 2mm에 반월 상 연골 가이드를 올립니다.
- 기판을 감고 잉크 코팅을 시작하는 모터를 시작합니다.
- 코팅을 중지하려면 펌프를 중지하고 움직이는 기판을 중지합니다. 코팅 헤드를 안전한 높이(기판 위 약 20mm)로 올립니다. 그런 다음 머리와 호스를 테트라 하이드로 푸란으로 청소하십시오.
3. 2 일 : 시투 롤 GISAXS 실험에서
- 엑스레이 설정 설명
참고: 방목 발생 률 작은 각도 X 선 설정의 총 길이는 4.5 m이며 X선 소스로 구성되어 있으며, 광학, 콜라메이션 섹션, 샘플 스테이지, 비행 튜브, 빔 정지 및 검출기로 구성됩니다. 엑스레이 소스는 리가쿠에서 회전 양극입니다.- 이 실험에 구리 양극을 사용하고 작동 상태를 36 kV 및 36 mA로 설정합니다.
- 미세 초점 모드에서 실험을 작동합니다. 광학은 2D 초점 다층 단색으로 구성되며, 이는 1.5418 Å의 파장을 가진 구리 kα 방사선의 반사를 최적화하기 위해 정렬됩니다. 콜리메이션 섹션은 각각 X선 소스에서 45cm, 141cm, 207cm 하류에 배치된 3개의 핀홀로 구성됩니다. 핀홀의 직경은 각각 0.75mm, 0.3mm, 직경 1.0mm이며, 샘플 위치에서 약 1.0mm의 프로브 크기로 0.2° 발생 각도에서 286mm의 빔 발자국에 해당합니다. 빔은 5 x 106 광자s-1의 샘플에 플럭스를 가지고 있으며 그림 7,왼쪽 패널에 도시된 바와 같이 프로파일이 있습니다.
- 샘플 단계에서 최소 3개의 제어 가능한 모터가 있는지 확인하여 미니 롤 투 롤 코터의 위치를 조정합니다. 샘플 스테이지의 하류에서는 랙에 166cm 대피 비행 튜브(0.01mbar 미만)를 설치하고 Eiger 4M X선검출기(31)가있다.
- 롤 코터를 설치합니다.
- 미니 롤 투 롤 코트를 고니오미터에 고정합니다. 샘플 위치에서 광학 벤치에 롤 투 롤 코팅으로 고니오미터를 장착합니다.
- 세 개의 모터 케이블을 고정합니다. 고니오미터 스테이지를 벤치에 고정합니다. 가능한 한 미니 롤 투 롤 코터에 가까운 비행 튜브에 접근하십시오.
- 중요한 단계: 샘플 위치를 정렬합니다. 잉크 10cm를 코팅하고 필름을 빔으로 굴려줍니다. 정렬 절차는 세 가지입니다.
- 샘플을 빔에 평행하게 정렬합니다. 이는 수직 시료 위치 및 발생 각도의 함수로서 직접 빔의 합산 강도를 스캔하는 반복적 과정에 의해 달성된다.
- 샘플을 검출기의 반사 빔으로부터 다음 수식으로 계산하여 특정 발생 각도, αi에정렬합니다.
(1)
RB가 반사된 빔 위치인 경우 DB는 직접 빔 위치(모두 cm로 측정됨)이며, SDD는 샘플 대 검출기 거리, 여기서 166cm이다. - 샘플 위치의 높이를 스캔하여 반사된 빔의 강도를 최적화합니다. 이 실험의 경우 0.2°의 발생 각도를 사용합니다. 이 절차에 대한 2D 데이터는 그림 7에표시됩니다.
- 발생 각도 선택
- 관심 층의 침투를 보장하기 위해 부각을 선택합니다. 여기서 이것은 0.2 °의 발생 각도가 될 것입니다.
참고: 이 실험의 경우 관심 있는 필름은 용매, P3HT 및 IDTBR으로 구성됩니다. P3HT와 O-IDTBR 모두 용매보다 밀도가 높으며 총 반사에 대해 가장 높은 임계 각도를 가질 수 있습니다. P3HT 및 O-IDBTR의 임계 각도는 포장에 따라 달라질 수 있으며, 그 결과 0.16°- 0.19°에서 임계 각도가 1.1 - 1.35g/cm3의고체 밀도를 가정합니다. 따라서, 0.2°는 필름의 대량으로 침투하도록 선택되었다. 다른 샘플 시스템에서 GISAXS 실험을 수행하려면 특정샘플(28,59)에가장 적합한 발생 각도를 평가한다.
- 관심 층의 침투를 보장하기 위해 부각을 선택합니다. 여기서 이것은 0.2 °의 발생 각도가 될 것입니다.
- 검출기의 수명을 연장하는 검출기 바로 앞에 빔 스톱을 설치합니다. 원형 빔 스톱을 사용하여 직접 빔과 추가로 얇은 직사각형 빔 스톱을 사용하여 반사된 빔을 차단합니다. 빔 정지는 직접 빔을 차단해야하지만 동시에 낮은 산란 각도에서 산란을 감지 할 수 있습니다.
참고: 반사된 빔을 지속적으로 추적할 수 있도록 빔 스톱 없이 이 실험을 수행할 수 있습니다. - 포인트 흡입을 설치합니다. 증발용매에서 모든 가스를 제거하기 위해 포인트 흡입을 배치합니다. 샘플의 공기 흐름이 각 실험에서 동일하도록 포인트 흡입을 고정합니다.
- 2.2mL의 잉크로 주사기를 적재하고 주사기 펌프에 주사기를 놓습니다. 주사기에서 호스를 통해 잉크를 수동으로 누르고 잉크가 코팅 헤드에 도달하기 전에 1cm를 중지합니다.
- 코팅 헤드에서 X선 빔까지의 거리를 설정합니다. 도 8에 도시된 바와 같이 코팅 헤드를 호일의 이동 방향을 따라 X선 빔으로부터 120mm 의 위치에 코팅 헤드를 배치하여 12초(건조 시간 3초 동안 코팅 헤드를 X선 빔으로부터 30mm)의 건조 시간을 보장한다.
- 롤 투 롤 슬롯 다이 코팅을 시작합니다. 기판 위에 반월 상 연골 가이드 5mm의 높이를 놓습니다.
- 주사기 펌프를 시작하고 반월 상 연골 가이드의 전체 폭을 적재하는 물방울을 기다립니다. 즉시, 코팅 헤드를 낮게 잉크로 기판을 적시고, 반월 상 연골 가이드를 기판 위에 2mm 의 코팅 위치로 올립니다.
- 기판을 감고 잉크 코팅을 시작하는 모터를 시작합니다.
- 데이터 녹음을 시작합니다. X선 셔터를 열고 3,000초 동안 데이터 기록을 시작합니다.
참고: 이 실험은 3,000초의 노출로 이루어졌으며, 보다 강력한 방법은 데이터의 유연한 시간적 비닝을 허용하기 위해 몇 가지 짧은 노출을 수행하는 것입니다. - 카메라로 코팅된 필름의 품질을 모니터링합니다. 기판과 반월 상 연골 잘못 정렬에 필름의 젖은 효과 찾아보십시오. 필요한 경우 측정을 중지하고 실험을 다시 수행합니다.
- 실험이 끝나면 X선 셔터를 닫습니다. X선 빔을 원격으로 끕니다. 주사기 펌프를 멈추고 코팅 헤드를 올리고 호일을 풀십시오. 일련의 실험을 위해 이 절차를 다른 설정으로 반복합니다.
(1)4. 데이터 처리
참고: 4개의 실험이 수행되었고 표 2에서특정 매개 변수를 찾을 수 있습니다. P3HT:O-IDTBR을 가진 실험 중 하나는 주사기 펌프 오류로 인해 2732초 후에 중단되었습니다. 따라서 인수 시간의 차이를 고려하여 신호를 정규화해야 합니다.
- 데이터 수정
- 먼저 마스크를 사용하여 빔 정지 및 죽은 픽셀33에대해 수정합니다. SAXSLAB에 의해 개발된 우주 광선 필터, 평평한 필드 보정, 시간 보정, 그림 9,왼쪽 패널에 표시된 두 개의 데이터 집합에서 명확하게 볼 수 있는 다결정 알루미늄에서 발생하는 추가 산란 피크에 대한 필터를 따르십시오.
- 실제 공간에서 상호 공간으로
- 이 수식을 사용하여 실제 공간에서 상호 공간 벡터 qx,y,z단위로 2D 데이터를 변환합니다.
(2)
여기서, α 나는 표면의 정상에 대하여 발생 각이며, αf는 검출기(검출기의 수직)에 출구/최종 각도이며, 2θf는 평면의 출구/최종 각도(검출기의 수평)이며, λ는 입사 빔의 파장이다. 파장이 보존될 것으로 가정하며, 탄성산란(34)이라고도한다.
- 이 수식을 사용하여 실제 공간에서 상호 공간 벡터 qx,y,z단위로 2D 데이터를 변환합니다.
- 요네다 선의 수평 선 통합
- 각각 빔의 중심에 대한 x 및 y 좌표를 결정하여, 검출기 거리(SDD = 1.66m), X선의 파장(1.5418 Å), 및 각 방향의 픽셀 크기(75 x 75 μm2)를결정한다.
- 조사된샘플(28,34,35, 36)의임계 각으로부터 요네다 선의 예상 위치를 계산한다.
- MatLab 스크립트를 사용하거나 DPDAK 또는 Xi-Cam38,39와같은 전용 소프트웨어를 사용하여 벡터 qxy를산란하는 함수로 산란 강도를 검색합니다. 그림 9에표시된 대로 요네다 선을 따라 수평 선 통합을 수행하며, 각 면에 50픽셀의 폭을 표시하여 만족스러운 신호 대 잡음 비율을 보장합니다.
- 수평 통합의 비닝
- 오버샘플링을 방지하고(도 9,오른쪽 패널 참조) 큰 산란 벡터 qxy에 대한 신호 대 잡음 비율을 증가시키기 위해, 데이터 logarithmically40을빈한다.
- 데이터 포인트를 qxy = 0.5 x 10-3Å까지 보관하지 마십시오. 이는 중복 데이터 요소가 없도록 하는 q-space의고강도 및 상호 거리 때문에 필요하지 않습니다.
- qxy = 0.5 x 10-3Å 이상에서 qxy-축을로그리스믹 스케일에 135 개의 동등하게 간격이 있는 쓰레기통으로 나누고, 이러한 방식으로 qxy = 0.53 x 10-3Å에서 첫 번째 빈은 두 개의 데이터 포인트의 평균이며, qxy = 0.3Å의 최종 빈점은 24점의 평균이다.
- 투브너-스트레이 모델 적용
- 데이터를 설명하기 위해 3개의 Teubner-Strey 기부금을 적용합니다. 처음 두 기여는 기증자 / 수락기와 마지막 기여 사이의 대비를 설명용매에 둘러싸인 재료의 큰 집계 사이의 대비를 설명합니다. 산란 강도의 수학적 표현은 다음과 같습니다.
(3)
여기서 β 일정한 배경인 경우, 매개 변수 는 1, i, c1,i, c2,도메인 크기, d i및 상관 관계 길이 ξ i의관점에서 정의됩니다.
(4)
방정식(4)에서 도메인 크기와 상관 관계 길이는 다음과 같이 표현할 수 있습니다.
(5)
및
(6)
여기서 d1, ξ1,d2 및 ξ2는 기증자/수용자 상에 대한 매개변수이며, d3 및 ξ3은 골/용매 상에 대한 매개변수이다. 장착된 모델은 그림 10에표시됩니다. 설명된 Teubner-Strey 모델을 기반으로 하는 4개의 피팅의 결과는 표 3에서 발견됩니다.
- 데이터를 설명하기 위해 3개의 Teubner-Strey 기부금을 적용합니다. 처음 두 기여는 기증자 / 수락기와 마지막 기여 사이의 대비를 설명용매에 둘러싸인 재료의 큰 집계 사이의 대비를 설명합니다. 산란 강도의 수학적 표현은 다음과 같습니다.
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)Representative Results
무엇보다도 이 백서는 사내 GISAXS 실험에서 성공적인 롤투롤을 수행하여 건조 박막을 조사하기 위한 방법과 프로토콜을 설명합니다. 피팅에 기초하여, Teubner-Strey 모델은 도 10에도시된 바와 같이 건조의 12 및 3 초에 대한 P3HT:EH-IDTBR 및 P3HT:O-IDTBR에 대한 데이터를 성공적으로 설명한다고 추론할 수 있다.
Teubner-Strey 모델을 기반으로 한 특성 길이 스케일은 표 3에서 찾을 수 있으며 표 4의해당 불확실성을 확인할 수 있습니다. 네 가지 적합 모두의 경우, 가장 높은 qxy, d1 및 ξ1의도메인 크기와 상관 관계 길이는 동일한 값에 가깝으며, 12.0 ± 1.7 nm에서 12.5 ± 2.2 nm로 다양하며 3.9 ± 0.4 nm에서 5.0 ± 0.4nm로 다양합니다. 이러한 두 가지 특성 크기와 길이는 P3HT:IDTBR 및 P3HT:PCBM41,42의건조 필름 대량 이종에 대한 문헌에서 보고된 값과 유사하다. 큰 구조물, d3 및 ξ3의경우, 건조함에 따라 구조물이 커지는 경향이 있습니다. P3HT:EH-IDTBR의 경우 225± 10.3nm에서 562± 11.1nm로 증가하고 P3HT:O-IDTBR의 경우 241± 4.1nm에서 489± 9.2nm로 증가한다. 상관 관계 길이, d2는P3HT:O-IDTBR 및 41 ± 14 nm에 대해 P3HT:EH-IDTBR 실험에 대해 30 ± 12nm 및 34 ± 3.5 nm로 발견된다. 눈에 띄게, d2는 P3HT:O에 대한 건조 12초 후에보다 건조 3초 후에 더 두드러집니다. D 2건조 후 3초 건조 후보다 건조 후 12초 후에D2가 더 두드러지는 P3HT:EH-IDTBR과는 달리 IDTBR. d2가 d1 또는클러스터에서 얻은 신호에 기여하도록 용해여부는 이 실험에서 결정되지 않는다.
Teubner-Strey(20)에 의한형식주의에 기초하여,1, i, c1,i, c2의특징적인 파라미터는,작은 길이 비늘, 1,1, c1, c2,1,1, 1, 1,c1,2, c 2, c 2, c 2,2, c 2, c 2, c 2, c2,2가, 2,2단계가혼합되어 있는 스피노 분해의 초기 단계에 특징이다. 이것은 기증자 / 수락자 상호 혼합의 형태에 대한 일반적인 이해와 일치합니다. 큰 길이 비늘,1,3, c1,3, c2,3은재료의 응집체와 용매 사이의 콘트라스트(전자 밀도 차이)에 의해 야기되는 마이크로 에멀젼(20)의 특징이다. 이 실험에서, d3의 이러한 특성 파라미터가 P3HT:O-IDTBR/용매, O-IDTBR/용매, 또는 P3HT/용매 사이의 전자 밀도 차이로 인해 발생하는지 여부를 구별하는 것은 불가능합니다.
모델에 X선에 맞게 데이터를 산란하는 것은 고유한 역 문제입니다. 따라서 산란 데이터를 설명하기 위해 여러 모델을 적용할 수 있습니다. 이러한 분석을 위해, Teubner 및Strey(20)에의한제형은,44가 데이터에 맞게 적용되었다. 프레임워크는 Landau 자유 에너지의 주문 파라미터 확장에서 시작하여 2상 시스템의 산란 강도를 설명합니다. 모델의 해석은 특징적인 도메인 크기와 통계역학(45)에서알려진 상관 관계 길이를 가진 2상 시스템의 추상적 기하학적 구조이다.
이를 모델링하기 위해 GISAXS 실험에서 2D 데이터를 예측할 수 있는 정교한 모델이 많이 존재하며, 사용자 친화적인 소프트웨어 프로그램34,46이 모델링됩니다. 일반적으로 BHJ의 GISAXS 데이터는 매우 높은 정확도27,40,47,48로왜곡된 파 태어난 근사치(DWBA)로 모델링됩니다. 그럼에도 불구하고, 주요 단점은 모델링된 구조가 BHJ에서 예상되는 복잡성에 해당하지 않는다는 것입니다. 더 간단한 방법은 분석을 qxy 방향으로 제한하는 것입니다. qxy의 1D 수평 선 컷만 고려되면, 산란에 주요 기여자가 필름에 존재하는 측면 구조에서 발생한다고 가정하는 것이 공평하다. 이를 가정하면 수평 선 컷에서 회수된 모멘텀 이송이 투과S SAXS49,50에해당하며, 여기서 Teubner-Strey는20을 파생하여 여기에 제시된 분석에 유효하다는 것을 알 수 있다.
이 모델은 세 가지 이유로 선택됩니다 : 첫째,모델은 BHJ20,26,51을포함한 다양한 2 상 시스템에 맞는 것으로 입증 된 분석 표현이며, 대규모 품질 관리 및 시투 측정에 적용되는 매우 빠른 피팅 알고리즘에 사용할 수 있습니다. 둘째, 우리의 지식의 최고에, 이 모형은 전송 전자 현미경 검사법 (TEM)52 및 원자력 현미경 검사법 (AFM)42에의해 P3HT:O-IDTBR에 대해 관찰된 형태학과 일치한다. 셋째, 작은 파라미터 공간에 걸쳐 있는 간단한 모델이다.
또한, 사내 X선 소스를 가진 비 풀러렌 유기 태양전지의 건조 운동학을 조사하는 것이 가능하다는 것을 이 논문은 문서화합니다. 또한,이 방법은 대규모 롤 투 롤 코팅 된 OpV에서 연구를 가속화하기위한 도구로 사용할 수있는 잠재력을 가지고있다.
그림 1: P3HT, O-IDTBR 및 EH-IDTBR의 화학 적 구조. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 2: (왼쪽) 대량 이종형 유기 태양전지의 작동 원리. 햇빛은 분리시 구멍과 전자가 각각 음극과 양극으로 확산될 수 있도록 엑시톤을 생성합니다. (오른쪽) 기증자 및 수용자의 HOMO 및 LUMO 수준의 에너지 다이어그램. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 3: (왼쪽) 유연한 기판 P3HT:O-IDTBR 및 P3HT:EH-IDTBR에 코팅된 롤 슬롯 다이용 JV 곡선은 표 1에 표시된 최상의 성능의 장치에 해당한다. (오른쪽) 유연한 기판 P3HT:O-IDTBR 및 P3HT:EH-IDTBR에 코팅된 롤 슬롯 다이의 EQE 곡선. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 4: PET 기판에 코팅 된 두 잉크의 이미지. 상단은 P3HT: EH-IDTBR이고 하단은 P3HT:O-IDTBR입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 5: (왼쪽) 미니 롤 투 롤 코터의 이미지. 1. a) 1.b)는 각각 호일 피더와 수신기의 회전 중심을 나타낸다. 모터는 롤 투 롤 코터의 뒷면에 있으며 스테퍼 모터입니다. 2) 포일을 따라, 위아래로, 바깥쪽으로, 안쪽으로 세 방향으로 이동할 수 있는 코팅 헤드의 번역 단계. 3) 잉크가있는 호스가 고정 될 수있는 슬롯 다이 코팅 헤드. 4) 두 개의 핫 플레이트, 원하는 온도로 이동 기판을 가열하는 두 화살표로 표시. 본 실험에서, 60°C로 설정하였다. 모든 부품은 원격으로 제어됩니다. (오른쪽) GISAXS 설정에 설치된 롤투롤 코트. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 6: 방목 발생 작은 각도 X 선 산란을위한 실험 설정. 1) 엑스레이 소스는 리가쿠에 의해 만들어진 회전 양극이다. 구리로 만든 회전 양극은 36kV 36 mA에서 작동되었다. 2) 광학 섹션은 CuK가 단일 바운스 다층 거울에서 회전 양극 확산으로부터 특징적인 형광을 α, 이는 파장에서 빔단색을 만든다: λ=1.5418 Å. 3) 아테누에이터 스테이션, 이는 이 실험에 적용되지 않았다. 4) 3개의 화살표로 표시된 대로 서로 3개의 핀홀로 구성된 콜리메이션 섹션. 핀 구멍의 직경은 각각 0.75mm, 0.3mm 및 1.0mm입니다. 5) 수직 이동 축 및 곤니오미터에 부착된 미니 롤 투 롤 코터 위치가 발생 각도를 제어합니다. 6) 진공 상태에서 비행 튜브. 7) 아이거 4M 검출기. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 7: 원시 Eiger 4M 데이터로 표시된 정렬 절차의 세 단계입니다. (왼쪽) 먼저 직접 빔을 차단하는 것이 없는지 확인합니다. 이 예제에서 빔 정지는 왼쪽과 직접 빔 아래에 있습니다. (중간) 수직 축을 따라 샘플을 스캔하고 직접 빔의 절반이 샘플에 의해 차단되는 곳에 배치합니다. 그런 다음 시료를 회전하여 발생 각도를 점진적으로 변경하고 직접 빔의 강도가 가장 높은 샘플을 배치합니다. 이 절차는 샘플이 빔과 완전히 평행하도록 3-5 번 수행해야합니다. (오른쪽) 검출기에서 명확한 반사가 발생할 때까지 샘플을 회전합니다. 이 두 위치에서 정확한 인시던트 각도를 계산할 수 있습니다(텍스트 참조). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 8: 두 개의 서로 다른 각도에서 본 건조의 두 단계. (왼쪽)은 프로브되기 전에 필름이 3 초 동안 건조된 젖은 단계입니다. (오른쪽)는 필름이 12초 동안 건조되는 건조한 단계입니다. 가장자리 건조 효과를 시각화하기 위해 대비가 증가했습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 9: (왼쪽) 2D 데이터 P3HT:O-IDTBR 에서 12초 의 건조 시 3000초의 획득 시간. 빨간색 사각형은 수평 통합이 수행된 위치와 알루미늄 피크로 표시된 강렬한 영역이 히터 플레이트에서 유래했음을 나타냅니다. (오른쪽) 알루미늄 피크의 q 벡터가 통합에서 생략되는 빨간색 사각형의 수평 통합입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 10: 4가지 실험에 대한 비닝 수평 선 통합: P3HT:EH-IDTBR(블랙) 및 P3HT:O-IDTBR(파란색)은 12초(삼각형) 및 3초(사각형)의 건조와 함께 투브너-스트레이핏을 장착합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
| 건조 시간 (들) | 측정 시간(들) | |
| P3HT:O-IDTBR | 3.0 | 2732 |
| P3HT:O-IDTBR | 12 | 3000 |
| P3HT:EH-IDTBR | 3.0 | 3000 |
| P3HT:EH-IDTBR | 12 | 3000 |
표 1: P3HT:O-IDTBR 및 P3HT:EH-IDTBR을 기반으로 하는 1cm2 유기 태양전지의 광전자적 특성은 전력 변환 효율(PCE), 단락 전류 밀도(JSC),충진계(FF), 및 개방 회로 전압(VOC),100mW/cm2 조명 을 나타낸다.
| P3HT:EH-IDTBR | Pce (%) |
JSC (mA/cm2) |
Ff 로 (%) |
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 | |
| 평균 | 2.07 | 5.01 | 58.49 | 0.70 | |
| 스탠드 데브 샘플 | 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 | |
| 평균 | 3.22 | 7.58 | 60.08 | 0.71 | |
| 스탠드 데브 샘플 | 0.14 | 0.26 | 0.70 | 0.00 | |
표 2: 데이터의 개요입니다. P3HT:O-IDTBR의 건조 시간 3.0s는 주사기 펌프 오류로 인해 2732s 후에 중단되었습니다.
| 장착된 값 | d1 [nm] | ξ1 [nm] | d2 [nm] | ξ2 [nm] | d3 [nm] | ξ3 [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 |
표 3: 네 번의 실험에서 값에 맞게 맞습니다. [nm]의 모든 단위.
| 오류 | d1 [nm] | ξ1 [nm] | d2 [nm] | ξ2 [nm] | d3 [nm] | ξ3 [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 |
표 4: 네 가지 실험에서 장착 된 값의 표준 편차. [nm]의 모든 단위.
Discussion
발생 각도는 GISAXS 실험에 매우 중요합니다. 유연한 기판에서 18미터 필름의 롤 투 롤 코팅 시 각각에 대해 필름이 얼마나 안정적으로 움직일 지 의문을 제기할 수 있습니다. 이 데모에서 수행된 실험의 경우 이동 기판의 안정성을 증명할 수는 없지만 이전 버전의 설정이 사용되는 이전 게시된 데이터는 안정적인필름(18,21)을문서화한다. 이 롤 투 롤 코팅체가 사용된 이전 싱크로트론 실험은 이 실험을 위해 요네다 라인에서 12픽셀을 ± 것과 동일한 시간 함수로서 반사빔의 위치에 의해 평가된 바와 같이 발생 각도가 ± 0.03°보다 ± 차이가 없는 것을 입증한 반면, 수평선 통합은 5픽셀±. 이 분석을 위해 만들어진 가정하에, 부각의 이 작은 변경은 이 일의 분석에 영향을 미치지 않으며 그러므로 무시될 수 있습니다. 미래에 이러한 유형의 실험은 빔 스톱 없이 실험 전반에 걸쳐 발생각을 조사하기 위한 지속적인 데이터 수집을 통해 수행해야 합니다.
건조 필름 위의 공기 대류, 상대압력 및 상대 습도는 박막의 건조 프로파일에 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 따라서 완전히 재현 가능한 실험을 하기 위해서는 이러한 매개 변수를 신중하게 측정하는 것이 필수적입니다. 이 백서의 네 가지 측정값 간의 비교는 동일한 날에 동일한 조건에서 코팅되었기 때문에 유효합니다.
Situ GISAXS 실험에서 롤투롤을 수행하려면 성공적인 실험을 보장하기 위해 몇 가지 기준을 충족해야 합니다. 재료 간의 전자 밀도(대비)의 차이는 산란 신호를 갖기 위해서는 충분히 높아야 합니다. 이 주제에 대한 지침은 J. Als-Nielsen 외53에게시되었습니다.
싱크로트론에 비해 실험실 소스의 낮은 X선 플럭스로 인해 이러한 실험을 수행하기 위해 훨씬 더 많은 재료가 필요합니다. 따라서 재료 발견에는 완전히 적용되지 않지만 OpV와 관련된 잉크 제형의 최적화를 위한 도구가 될 것입니다. 또한, 낮은 플럭스로 인해 건조 잉크의 시간적 해상도에 관한 거친 실험을 수행 할 수 있습니다. 이러한 실험 중에 우리는 건조하는 동안 활성 층의 18 미터를 조사하고 있습니다. 우리는 실험 전반에 걸쳐 대규모 형태에 작은 변화를 기대하고, 따라서 우리는 코팅 필름의 18 미터의 평균을 조사. 이것은 대규모 제작의 조건을 모방합니다. 몇 미터 내의 불동성을 연구하려면 싱크로트론 방사선이 필요합니다.
3,000초의 노출을 수행하는 것이 최적의 실험 설계가 아닙니다. 보다 견고한 방법은 데이터의 유연한 측두질 분산을 허용하여 대규모 균질성을 분석하고 항상 발생 각도를 프로브할 수 있도록 몇 가지 짧은 노출을 수행하는 것입니다.
우리의 지식의 최선을 다해, 이것은 실험실 X 선 소스에 대한 OpV용 잉크의 롤 투 롤 코팅에 Situ GISAXS를 수행하는 첫 번째 데모입니다, 우리는 이전에 결정 회절 신호54,55를분석 유사한 실험을 시연했지만. 이 데모와 프로토콜을 통해 연구원, 학생 및 개발 엔지니어를 위한 Situ GISAXS 실험에 적용하고 수행하는 것이 더 쉬울 것이라고 믿습니다. 이것은 잠재적으로 연구 분야를 가속화 할 수 있습니다, 단순히 매일 이러한 장비에 액세스 할 수 있기 때문에. 또한 롤투롤 코터를 이용하여 이 실험에서 프로브된 구조적 특성과 태양전지 성능을 비교할 수 있다, 1:1.
실험 용 설정의 개선은 하우스 X 선 소스를 갖는 모든 장점을 악용하는 데 필요합니다. 작은 실험실 소스에 대한 사용 가능한 X 선 플럭스를 증가시키는 것 외에도, 이 실험의 개선을 위한 첫 번째 단계는 도 9(왼쪽)에 도시된 바와 같이 데이터를 과대하고 있는 알루미늄에서 피크를 산란하지 않도록 하는 것입니다. 이는 적절한 가열을 위해 최대 150°C의 온도를 견딜 수 있는 X선 흡수 기판 홀더를 설치하여 실현될 수 있다. 또한 샘플 바로 앞에 가드 슬릿이 데이터 품질을 향상시킵니다. 이 데모는 유기 태양 전지 커뮤니티에서의 연구에만 관심이 있는 것이 아니라 박막 기술에 대한 코팅 파라미터를 연구하거나 최적화하는 분야입니다. 이 기술을 결정 구조가 조사되는 동시 GIWAXS와 결합하면 하우스 롤 투 롤 X 선 실험이 적용되는 과학 분야의 수가 더욱 증가합니다.
이러한 시투 롤-투-롤 실험에서 습식 필름을 프로빙하고 있기 때문에 용매가 조명된 X선 빔의 너무 큰 분획을 흡수하지 않으면 도움이 됩니다. 일반적으로 폴리머:PCBM 시스템은 큰 콘트라스트를 가지며 염소를 포함하지 않는 용매와 결합되어 (강한 X 선 흡수제임)은 큰 콘트라스트를 보장하므로 높은 산란 강도를 보장합니다. 이 실험의 경우 P3HT:IDTBR의 대비는 작고 염소처리된 용매와 결합되어 산란 강도가 낮습니다. 이러한 재료는 이러한 실험에 적합하지 않지만 태양 전지에 매우 흥미롭기 때문에 이 기술은 콘트라스트가 낮고 흡수성이 높은 시스템을 조사 할 수 있도록 더 개발되어야합니다. 모델의 선택은 여러 GISAXS 실험에서 비교 분석을 수행하는 가장 결정적인 요소입니다. 이 백서에 제시된 분석을 위해 Teubner-Strey의 프레임워크가 적용되어 네 가지 데이터 집합을 설명했습니다. 모델을 선택하는 가장 좋은 방법은 조사된 샘플의 모양과 크기에 대한 ab initio 정보를 소유하는 것입니다. 이는 TEM 이미지, 시뮬레이션 또는 현미경 사진에서 얻을 수 있습니다. 모델 선택의 배경이 텍스트에 명시되어 있지만 이러한 GISAXS 데이터를 설명하기 위해 여러 모델을 선택할 수 있습니다. Teubner-Strey 모델은 원래 전송 SAXS를 위해 개발되었지만51 이전에 BHJ 태양 전지의 GIWAXS 데이터를 성공적으로 모델링했습니다. 추가 개선사항은 분자 역학 시뮬레이션에서 알려진 추상 기하학적 모델을 조정하고 DWBA를 2D 데이터를 모델링하는 것입니다. 대체 모델은 다음과 같습니다 : DWBA가 2D 데이터를 모델링할 필요가 있는53에적용된 크기의 다분산 분포 정도를 가진 엄격한 기하학적 객체, 프레스넬 반사도 및 가우시안 분포의 조합은 공동 블록 폴리머 GISAXS 신호56,주로 생물학적 샘플에 대한 구슬 모델57,및 프랙티스59,fralacty
Disclosures
저자는 공개 할 것이 없습니다.
Acknowledgments
저자는 악기를 재건하고 유지하는 데 도움을 준 두 기술자인 크리스티안 라슨과 마이크 위치만(Mike Wichmann)을 인정하고 자합니다. 또한, 저자는 유익한 토론을 위해 포효 R. Søndergaard와 안데르스 스코보 게르트센에게 감사드립니다. 이 연구는 유럽 연합 (EU)의 호라이즌 2020 연구 및 혁신 프로그램 (SEEWHI 통합자 보조금 번호)에 따라 유럽 연구 위원회 (ERC)에 의해 지원되었다. 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 |
References
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Liu, Q., et al. 18% Efficiency organic solar cells. Science Bulletin. , (2020).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- He, Z., et al. Enhanced power-conversion efficiency in polymer solar cells using an inverted device structure. Nature Photonics. 6 (9), 591-595 (2012).
- 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).
- 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).
- Müller-Buschbaum, P. A basic introduction to grazing incidence small-angle X-ray scattering. Lecture Notes in Physics. 776, 61-89 (2009).
- Teubner, M., Strey, R.
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Liu, F., et al. Printing Fabrication of Bulk Heterojunction Solar Cells and In Situ Morphology Characterization. Journal of Visualized Experiments. (119), 53710 (2017).
- Hexemer, A., Müller-Buschbaum, P. Advanced grazing-incidence techniques for modern soft-matter materials analysis. IUCrJ. 2 (1), 106-125 (2015).
- 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).
- Carlé, J. E., et al. Overcoming the Scaling Lag for Polymer Solar Cells. Joule. 1 (2), 274-289 (2017).
- Dectris Technical Specifications EIGER R 4M Detector Systems. , Available from: www.dectris.com (2018).
- 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).
- Pauw, B. R. Everything SAXS: Small-angle scattering pattern collection and correction. Journal of Physics Condensed Matter. 25 (38), 1-2 (2013).
- Babonneau, D. FitGISAXS: Software package for modelling and analysis of GISAXS data using IGOR Pro. Journal of Applied Crystallography. 43 (4), 929-936 (2010).
- Yoneda, Y. Anomalous surface reflection of X rays. Physical Review. 131 (5), 2010-2013 (1963).
- 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).
- Liu, J., Yager, K. G.
- 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).
- Pandolfi, R. J., et al. Xi-cam: a versatile interface for data visualization and analysis. Journal of Synchrotron Radiation. 25 (4), 1261-1270 (2018).
- 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).
- 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).
- 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).
- Allen, S. M.
- 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).
- Gould, H., Tobochnik, J. Statistical and thermal physics : with computer applications. , Princeton University Press. (2010).
- Pospelov, G., et al. BornAgain: software for simulating and fitting grazing-incidence small-angle scattering. Journal of Applied Crystallography. 53, 262-276 (2020).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Kozub, D. R., et al. Polymer Crystallization of Partially Miscible Polythiophene/Fullerene Mixtures Controls Morphology. Macromolecules. 44, 5722-5726 (2011).
- Köntges, W., et al. Visualizing morphological principles for efficient photocurrent generation in organic non-fullerene acceptor blends. Energy & Environmental Science. , 1259-1268 (2020).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Bale, H. D., Schmidt, P. Small-Angle X-Ray-Scattering Investigation of Submicroscopic Porosity with Fractal Properties. Phys. Rev. Lett. 3 (6), (1984).
- Anitas, E. M., Slyamov, A. Structural Properties of Additive Nano/Microcellular Automata. Annalen der Physik. 530 (6), 1800004 (2018).
