ここでは、シンクロトロン散乱技術を使用して、ミニスロットダイコーターを用いた有機薄膜太陽電池を製造するためのプロトコルとインライン関連構造の特徴付けを示します。
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ここでは、シンクロトロン散乱技術を使用して、ミニスロットダイコーターを用いた有機薄膜太陽電池を製造するためのプロトコルとインライン関連構造の特徴付けを示します。
ポリマーベースの材料は、低コストで柔軟性のある効率的な太陽光発電デバイスとして有望です。高性能デバイスを実現するためのほとんどの実験室の取り組みは、スピンコーティングによって調製されたデバイスを使用しており、これは大規模な製造に適していないプロセスです。このようなデバイス製造のミスマッチにより、ラボで得られた定量的な結果を商業レベルに変換することが難しくなり、最適化が困難になります。ミニスロットダイコーターを使用すると、商業プロセスを実験室に翻訳し、フィルムが基板上にコーティングされるときに、デバイスの活性層での構造形成をリアルタイムかつその場で特性評価することで、このミスマッチを解決できます。形態の進化はさまざまな条件下で特徴付けられ、構造が形成され成長するメカニズムを提案することができました。このミニスロットダイコーターは、工業的に関連した条件下で活性層の形態を最適化するための、シンプルで便利、かつ材料効率の高いルートを提供します。このプロトコルの目標は、ミニスロットダイコーターを使用して太陽電池デバイスを製造する方法の実験的詳細と、ミニスロットダイコーターを使用してin situ構造特性評価を実行するための技術的な詳細を示すことです。
有機太陽光発電(OPV)は、近い将来に費用対効果の高い再生可能エネルギーを生成するために有望な技術です。 1、2、3、多大な努力が光活性ポリマーを開発し、高効率のデバイスを製造する試みがなされてきました。現在までに、単層OPVデバイスは、> 10%の電力変換効率(PCE)を達成しています。これらの効率は、膜を生成するために、スピンコーティングを使用して、実験室規模のデバイスで達成されている、より大きなサイズのスケールのデバイスへの変換は、PCEの有意な減少を伴うされています。業界では4、 図5に示すように 、ロール・ツー・ロール(R2R)系薄膜コーティングは、特に、溶媒除去の速度で、典型的な実験室規模のプロセスとは全く異なっている導電性基板上の光子活性薄膜を生成するために使用されます。形態は、KIあるので、これは非常に重要ですnetically相分離、秩序、配向および溶媒蒸発を含む複数の動力学的プロセス、間の相互作用から生じる、捕捉されました。 6、7、この動力学的にトラップされた形態は、しかし、大部分は太陽電池デバイスの性能を決定します。したがって、コーティングプロセスの間に形態学の発展を理解することは、パフォーマンスを最適化するように形態を操作するために非常に重要です。
形態の最適化は、溶媒が除去される溶液中の正孔伝導性ポリマーの順序に関連した動態を理解する必要があり、 8、 図9は、フラーレンベースの電子伝導体とポリマーの相互作用を定量化します。モルフォを定義する添加剤の役割を理解する10、11、12でれっと; 13、14、15、溶媒(単数又は複数)及び添加剤の蒸発の相対速度のバランスをとります。 16工業的に関連する設定で、活性層に定量的形態の進化を特徴付けるための課題でした。ロール・ツー・ロール処理を大規模OPVデバイスの製造のために研究されています。 4、17しかし、これらの研究は、効果の研究市販のポリマーへの制限、材料の大量に使用される製造環境で行いました。
本論文では、ミニスロットダイコーティングシステムを使用してOPVデバイスを製造する技術的な詳細が示されています。このようなフィルムの乾燥速度と膜厚制御などのコーティングパラメータを直接産業FAに関するこの研究を行う、より大規模なプロセスに適用可能ですbrication。また、材料の非常に少量の新たな合成材料にこの処理を適用作り、ミニスロットダイコーティング実験に使用されています。設計では、このミニスロットダイコーターは、シンクロトロンのエンドステーションに装着することができ、したがって、入射小角X線散乱(GISAXS)を放牧し、X線回折(GIXD)が進化に関するリアルタイムの研究を可能にするために使用することができます長さの広範囲の形態の加工条件の範囲の下でフィルムの乾燥工程の異なる段階でスケーリングします。これらの研究で得られた情報は、直接に工業生産の設定に転送することができます。使用される材料の少量は、光活性材料および種々の処理条件下でその混合物の多数の迅速なスクリーニングを可能にします。
ローバンド共役ポリマーベースの半結晶性ジケトピロロピロール及びクォーター(DPPBT)はモデル供与体材料として使用され、(6,6) - フェニルC71-butyriれますC酸メチルエステル(PC 71 BM)は、電子受容体として使用されます。 18、19これは、そのDPPBT以前の研究で示されている:溶媒としてクロロホルムを使用した場合、PC 71 BMブレンドは、大きなサイズの相分離を形成します。クロロホルム:1,2-ジクロロベンゼン溶媒混合物は、相分離の大きさを減少させ、従って、デバイス性能を高めることができます。溶媒乾燥プロセス中の形態形成は、入射X線回折および散乱を放牧することによってその場で検討されています。太陽電池素子は、ミニスロットダイコーターを用いて作製スピンコーティングように製造装置に類似している20、最良の溶媒混合条件を使用して5.2%の平均PCEを示しました。ミニスロットダイコーターは、工業的に相対これらの物質の予測生存率のギャップを埋める、産業プロセスを模倣する研究室の設定で、太陽電池デバイスを製造するための新しいルートを開きますevant設定。
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1.フォトンアクティブブレンドインク調製
2. ITOとウエハ基板洗浄と準備
3.活性層の印刷
4.カソード電極蒸着
5.太陽光発電の性能測定
6.シンクロトロンX線測定
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図3に示されているミニスロットダイコーティングシステムです。それは、一つのコーティング機、一方のシリンジポンプと、中央制御ボックスで構成されています。コーティング機、スロットダイヘッド、一水平並進ステージと、1つの垂直並進ステージで構成されている本質的な部分です。スロットダイヘッドは、2-Dのチルトマニピュレータを介して垂直並進運動のベースに取り付けられています。 図10aは、2-D傾けるマニピュレータが強調表示されたプリントヘッドを搭載することなく、プリンタ本体を示しています。 図10bは、2-D傾斜マニピュレータにプリントヘッドの取り付けを示しています。 図10cは、プリントヘッドと基板の拡大画像を示しています。力センサは、垂直方向の並進ステージに組み込まれています。実験では、垂直並進ステージは、ヘッドから基板までの距離を調整するために使用され、2次元チルトモータadjuに使用されST厳密に垂直にヘ...
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ここで説明する方法は、簡単に工業生産にスケールアップすることができ、フィルム製造方法の開発に焦点を当てています。薄いフィルム印刷とシンクロトロンの形態の特徴付けは、プロトコルで最も重要なステップです。以前の研究室スケールOPV研究では、スピンコーティング、薄膜デバイスを製造するために支配的な方法として使用されます。しかし、このプロセスは、産業ベースのロール・ツー・ロール製造とは全く異なるBHJソリューションを広げるために、高遠心力を使用しています。従って、スピンコーティング試験から得られた知識と経験を直接大面積デバイスの製造に転送することができません。現在の研究で提示されたミニスロットダイコーティング装置は、産業用フィルムコーティング装置に似ているので、産業革命前のテストのための理想的であろう。デバイス性能に対応するフィルムの形態を制御するパラメータは、再調査する必要があります。ミニスロットダイコーティング中の材料費は、このように最小となりますデバイス製造条件の大量を最適化することができます。
シンクロトロンの測定は、バルクヘテロ接合(BHJ)太陽電池薄膜の形態変化を決定するために...
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著者らは開示するものは何もない。
この研究は、米国エネルギー省、基礎エネルギー科学局(賞番号DE-SC0001087)、および米国海軍研究局(契約N00014-15-1-2244)が資金提供するエネルギーフロンティア研究センターであるPolymer-Based Materials for Harvesting Solar Energy (PHaSE)の支援を受けました。本研究の一部は、ローレンス・バークレー国立研究所先端光源のビームライン7.3.3および11.0.1.2で実施され、DOE、Office of Sciences、Office of Basic Energy Sciencesの支援を受けました。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| PC71BM | Nano-C Inc | nano-c-PCBM-SF | |
| DPPBT | マサチューセッツ大学 | カスタムメイド | |
| PEDOT:PSS | ヘレウス | P VP Al 4083 | |
| Mucasol 液体クリーナー | Sigma-Aldrich | Z637181 | |
| アセトン | Sigma-Aldrich | 270725 | |
| イソプロピルアルコール | BDH | BDH1133 | |
| クロロホルム | Sigma-Aldrich | 372978 | |
| 1,2-ジクロロベンゼン | シグマ・アルドリッチ | 240664 | |
| フッ化リチウム | シグマ・アルドリッチ | 669431 | |
| アルミニウム | カート・レスカー | EVMAL50QXHD | |
| ガラスバイアル | フィッシャーサイエンティフィック | 03-391-7B | |
| 超音波洗浄機 | クリーンソニック | ブランソン 2800 | |
| オーブン | WVR | 414005-118 | |
| クリーニングラックロー | レンスバークレー国立研究所 | カスタムメイド | |
| シャドウマスク | ローレンスバークレー国立研究所 | カスタムメイド | |
| UV-オゾンクリーナーUVOCS | INC T16X16 OES | ||
| グローブボックス | MBraun | カスタムメイド | |
| 蒸発器 | MBraun | カスタムメイド | |
| スロットダイコーター | ジェマ・サイエンス社 | カスタムメイド | |
| ・ソーラーシミュレータ | ニューポート | 級 ABB | |
| スピンコーター | SCS装置 | SCS G3 | |
| ホットプレート | サーモサイエンティフィック | SP131015Q | |
| X線測定 | ローレンス・バークレー国立研究所 | ビームライン 7.3.3 |
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