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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この記事について
サマリー
要約
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。
概要
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....
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プロトコル
1.フォトンアクティブブレンドインク調製
- （化学構造は、 図1に示す）DPPBTポリマーを10mgとPC 71 BM材料10mgを秤量します。 4ミリリットルバイアルでそれらを混ぜます。
- 混合物中に1.5ミリリットルのクロロホルムおよび1,2-ジクロロベンゼンの75μLを加えます。
- 、バイアルに小さな撹拌棒を入れ、ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）キャップでバイアルを閉じ、ホットプレートにバイアルを移します。 〜50℃で一晩使用前に〜400rpmで、かつ熱で撹拌。
2. ITOとウエハ基板洗浄と準備
- 負荷プリパターニングインジウムスズ酸化物（ITO）ガラス基板（3インチ×1インチの半分でITOを除去）、またはシリコンウェハは、テフロン（登録商標）洗浄用ラックに、ガラス容器（ 図2）にラックを置きます。ガラス容器に希釈洗剤溶液（300ml mlの1％万能洗剤溶液）を添加し、15分間超音波処理し、超音波処理中にガラス容器に入れました。
- 界面活性剤を除去し、脱イオン（DI）水を数回でITOガラスをすすぎます。その後、容器に300ミリリットルのDI水を追加し、さらに15分間超音波処理装置にガラス容器を置きます。
- 容器から水を除去します。容器に300ミリリットルのアセト....
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結果
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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ディスカッション
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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開示事項
著者らは開示するものは何もない。
謝辞
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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材料
| 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 |
参考文献
- Brabec, C. J., et al. Polymer-Fullerene Bulk-Heterojunction Solar Cells. Adv. Mater. 22 (34), 3839-3856 (2010).
- Thompson, B. C., Fréchet, J. M. J. Polymer-Fullerene Composite Solar Cells. Angew. Chem. Int. Ed. 47 (1), 58-77 (2008).
- Günes, S., Neugebauer, H., Sariciftci, N. S.
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再版と許可
