Waiting
로그인 처리 중...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

In situ-betesincidens liten vinkelröntgenspridning på roll-to-roll-beläggning av organiska solceller med laboratorieröntgeninstrumentering

Published: March 2, 2021 doi: 10.3791/61374
Automatic Translation
1, 1, 1, 1, 1, 1
1Department of Energy Conversion and Storage, Technical University of Denmark

Summary

Detta dokument är en demonstration och en riktlinje för att utföra och analysera internt (med ett laboratorieröntgeninstrument) på plats GISAXS experiment med torkning av bläck på roll-to-roll slot-die belagda, icke-fulleren organiska solceller.

Abstract

Vi presenterar ett internt, in situ Grazing Incidence Small Angle X-ray Scattering (GISAXS) experiment, utvecklat för att undersöka torkkinetiken i roll-to-roll slot-die beläggning av det aktiva skiktet i organiska solceller (OPVs), under nedfall. För denna demonstration ligger fokus på kombinationen av P3HT:O-IDTBR och P3HT:EH-IDTBR, som har olika torkkinetik och enhetens prestanda, trots att deras kemiska struktur bara varierar något vid sidechain av den lilla molekylen acceptor. Den här artikeln innehåller en steg-för-steg-guide för att utföra ett GISAXS-experiment på plats och visar hur du analyserar och tolkar resultaten. Vanligtvis, utför denna typ av in situ röntgen experiment för att undersöka tork kinetik av det aktiva skiktet i OPVs förlitar sig på tillgång till synkrotroner. Men genom att använda och vidareutveckla den metod som beskrivs i detta dokument är det möjligt att utföra experiment med en grov temporal och rumslig upplösning, dagligen för att få grundläggande insikt i torkfärgernas morfologi.

Introduction

Organiska solceller (OPV) representerar en av de mest lovande framväxande solcellsteknikerna. OPV:er kan möjliggöra storskalig produktion av en kostnadseffektiv förnybar energikälla baserad på giftfria material med anmärkningsvärda korta energiåterbetalningstider1. Den fotoaktiva delen i OPV är ett cirka 300-400 nm tjockt lager av ledande polymerer och molekyler, som kan tryckas med en hastighet av flera meter per minut med roll-to-roll-beläggningsteknik1. Denna tunnfilmsteknik är flexibel, färgstark och lätt, vilket öppnar vägar för nya solenergimarknader, såsom Sakernas Internet, byggnadsintegration, dekorativa installationer och snabb installation / avinstallation i mycket stor skala2,3,4,5. Dessutom består OPV enbart av rikliga och icke-avgiftande element, vilket gör dem både billiga att producera och återvinna. Därför får denna teknik allt större uppmärksamhet från industrin och den akademiska världen. Enorma ansträngningar har gjorts för att optimera varje lager i den kompletta stapeln som utgör den organiska solcellen, och mycket teoretisk och experimentell forskning har gjorts för att förstå den underliggande fysiken i OPVs6,7,8. Det enorma intresset för tekniken har drivit fältet till sitt nuvarande tillstånd där mästare enheter tillverkade i laboratorier överstiger 18% effektivitet9. Uppskalning av tillverkningen (dvs. från spinnbeläggning på styva substrat till skalbar nedfall på flexibla substrat) åtföljs dock av betydande effektivitetsförluster10. Att överbrygga denna klyfta är därför av största vikt för att opv-fordon ska bli konkurrenskraftiga med annan kommersiellt tillgänglig tunnfilms solcellsteknik.

OPV är en tunnfilmsteknik som består av flera funktionella lager. I denna demonstration ligger fokus enbart på det fotoaktiva lagret. Detta lager är särskilt viktigt, eftersom det är här fotonerna absorberas och fotoström: et genereras. Vanligtvis består det fotoaktiva skiktet av minst två beståndsdelar, nämligen en givare och en acceptor. Här ligger fokus på donatorpolymeren P3HT i kombination med antingen O-IDTBR eller EH:IDTBR som acceptor11, med de kemiska formlerna som visas i figur 1. Den optimala utformningen av det fotoaktiva skiktet beskrivs som en bulk heterojunktion (BHJ), där föreningarna blandas i hela enheten, som visas i figur 2. BHJ erhålls genom slits-die beläggning ett bläck bestående av givaren och acceptorn i lösning10. Medan du belägger det våta bläcket på substratet avdunstar lösningsmedelsmolekylerna, vilket lämnar donatorn och acceptorn i ett sammanblandat tillstånd. Fördelningen av givare/acceptor med avseende på fasseparation, orientering, beställning och storleksfördelning kallas ofta BHJ:s morfologi. Det aktiva skiktets morfologi spelar en viktig roll i solcellens prestanda på grund av arbetsprincipens natur4,12. Arbetsprincipen illustreras i figur 2 och kan beskrivas i fyra steg: För det första absorberas en inkommande foton och exciterar en elektron från den högsta upptagna molekylära orbitalen (HOMO) till den lägsta obebodda molekylära orbitalen (LUMO). Hålet (ett ledigt tillstånd i HOMO) och den upphetsade elektronen binds samman. Detta bundna elektronhålspar kallas exciton. För det andra är excitonen fri att flytta runt, och den ungefärliga genomsnittliga fria vägen före rekombination är 20 nm6. För det tredje, när excitonen är nära ett gränssnitt mellan givare och acceptor, är det energiskt gynnsamt att skilja sig åt i en fri elektron i acceptorns LUMO och ett fritt hål i givarens HOMO. För det fjärde, om enheten är ansluten till en krets, kommer laddningar därmed att transporteras till anoden och katoden. För att förbättra opv-funktionerna måste morfologin optimeras för att rymma vart och ett av de fyra stegen för att säkerställa att BHJ absorberar så många av de inkommande fotonerna som möjligt och genererar så många flyttladdningar som möjligt. Den stora vetenskapliga frågan om den optimala morfologin kvarstår.

Detta är fortfarande en öppen fråga, och förfarandet för att optimera morfologin för en specifik kombination av givare och acceptor görs hittills genom försök och misstag. Optimala beläggningsförhållanden för blandningen P3HT:O-IDTBR och P3HT:EH-IDTBR harrapporterats 13,14. Liknande experimentella parametrar användes här för att förbereda både P3HT:O-IDTBR och P3HT:EH-IDTBR rullbelagd på ett flexibelt substrat vid 60 °C, enligt beskrivningen av Kuan Liu et al.15. De rullbelagda OPV:erna har en inverteradstruktur 16 och tillverkades på flexibla substrat utan indium tennoxid (ITO-fri), med strukturen PET/Ag-grid/PEDOT:PSS/ZnO/P3HT:O-IDTBR eller EH-IDTBR/PEDOT:PSS/Ag-grid, där ljuset kommer in genom PET-substratet. PEDOT:PSS är en förkortning för poly(3,4-etylendioxithiophene) polystyrensulfonat och PET är poly(etylentereftalat). Efter tillverkning skärs den sista stacken till små solceller med ett fotoaktivt område på 1 cm2.

Standardmedel för att karakterisera solcellernas prestanda inkluderar att mäta strömdensiteten kontra spänningskurvorna (J-V) och det externa kvanteffektivitetsspektrat (EQE). För både P3HT:O-IDTBR och P3HT:EH-IDTBRvisas resultaten i figur 3 och tabell 1. Den låga 2,2% PCE av P3HT:EH-IDTBR solcell beror på dess nedre kortslutningsström (JSC),som delvis begränsas av seriemotståndet (Rs) på 9,0 Ω·cm2 jämfört med P3HT:O-IDTBR på 7,7 Ω·cm2. Spänningen med öppen krets (VOC)är likartad i båda enheterna (tabell 1), vilket återspeglar de två acceptorernas elektroniska likhet. Solcellsbandsgapet i solcellscellerna P3HT:O-IDTBR respektive P3HT:EH-IDTBR är 1,60 eV respektive 1,72 eV, i enlighet med de optiska egenskaper som observerats av redshift i EQE som visas i figur 3 och rapporteras av Enrique P. S. J. et al.13. Vanligtvis beror en redshift på en mer kristallin struktur, så det förväntas att O-IDTBR har en högre grad av kristallinthet än EH-IDTBR för de specifika beläggningsförhållandena. Den förbättrade JSC för solcellscellen P3HT:O-IDTBR beror delvis på dess bredare spektralabsorbans och förbättringar av enhetsbearbetningen. De integrerade EQE-strömmarna för EH-IDTBR- och O-IDTBR-baserade enheter är 5,5 och 8,0 mA/cm2 under 1 solbelysning enligt figur 3. Från EQE-profilerna kan man se att massförhållandet 1:1 är nära idealiskt för P3HT:O-IDTBR men inte optimalt för P3HT:EH-IDTBR. Skillnaderna i enhetens prestanda kan delvis förklaras av förekomsten av pinholes i P3HT:EH-IDTBR-filmen, medan P3HT:O-IDTBR verkar smidigt som visas i figur 4. Stifthålen i P3HT:EH-IDTBR-materialsystemet täcks av det efterföljande PEDOT:PSS-skiktet under solcellstillverkningen, vilket förhindrar kortslutning av enheterna. Dessutom är acceptorernas sidokedjor linjära respektive förgrenade, vilket gör att deras löslighet skiljer sig åt och därmed deras torkantetik. Man kan använda en mini roll-to-roll coater för att undersöka torkkinetiken under beläggningen, som efterliknar samma beläggningsförhållanden försolcellstillverkningen 17, som först visades 201518.

Här presenterar vi tillämpningen av en förbättrad mini roll-to-roll slot-die beläggningsmaskin för att utföra GISAXS-experiment på plats, för att undersöka morfologin hos torkfärgerna för OPV med en in-house röntgenkälla. GISAXS är den metod som föredras för att undersöka storleks-, form- och orienteringsfördelningarna i eller på tunnfilmer19. När du utför ett GISAXS-experiment samlas de spridda röntgenstrålarna som sonderar provet på en 2D-detektor. Det utmanande är att välja rätt modell för att hämta önskad information från det prov som studeras. Därför är förhandsinformation om provstrukturen avgörande för att välja en lämplig modell. Sådan kunskap kan erhållas från atomkraftmikroskopi (AFM), transmissionselektronmikroskopi (TEM) eller molekylära dynamiksimuleringar7. Här kommer vi att presentera varför och hur man tillämpar ramverket för Teubner och Strey20 för att modellera de data som erhållits från GISAXS-experimenten på plats för att hämta storleksfördelningarna för domänerna inuti bläcket för BHJs under torkning. Det finns två fördelar med att använda en mini roll-to-roll coater. Först efterliknar den storskaliga produktionen 1:1; Således är vi säkra på att enhetens prestanda och aktiva lager kan jämföras direkt. För det andra, genom att använda denna metod kan vi ha tillräckligt med färskt bläck i strålen för att tillåta ett in situ-experiment med en laboratorieröntgenkälla. Metoderna för att utföra och analysera morfologin hos tunna filmer med GISAXS har utvecklats snabbt under det senastedecenniet 18,21,22,23,24,25,26,27,28. Vanligtvis, när du utför ett GISAXS-experiment på plats för att undersöka torkprotiken i det aktiva skiktet i OPV, behövs en synkrotronkälla18,26,27. Synkrotronstrålning föredras i allmänhet framför en in-house röntgenkälla för att utföra ett sådant experiment för att ge bättre tidsupplösning och bättre statistik. Synkrotroner är dock inte tillgängliga dagligen och kan inte justeras för att passa en produktionslinje, därför kan en egen röntgenkälla fungera som ett användbart dagligt verktyg för att optimera bläckformuleringar, beläggningsförhållanden och få grundläggande insikt i fysiken för torkning av kinetik. Den största nackdelen med att använda en in-house röntgenkälla är materialförbrukning. Eftersom röntgenflödet är minst fem storleksordningar mindre än vid en synkrotron behövs mer material för att få tillräcklig statistik. Därför är denna teknik ännu inte lämplig för ny materialupptäckt, där endast små mängder material är tillgängliga. För material som är billiga och lätta att syntetisera, vilket också är en dominerande faktor för skalbarhet29, kommer denna metod att vara fördelaktig över användningen av synkrotroner i strävan efter att stänga effektivitetsgapet för storskaliga roll-to-roll belagda OPVs10,30.

Den här artikeln kommer att vägleda läsaren genom att utföra GISAXS-experiment på plats för att undersöka torkkinetik av bläck som är tillämpliga för storskalig produktion av OPV. Ett exempel på dataminskning och analys presenteras tillsammans med en diskussion om olika modeller för att tolka data.

Protocol

Detta protokoll är indelat i fem underavsnitt. För det första presenteras ett förfarande för förberedelse av bläck. För det andra beskrivs proceduren för att förbereda och utföra beläggning av slits-till-rulle-rullning. För det tredje presenteras en steg-för-steg-guide för att utföra ett GISAXS-experiment på plats. För det fjärde beskrivs ett förfarande för datakorrigering och dataanalys. Slutligen rapporteras och diskuteras resultaten.

1. Beredning av tryckfärger för rull-till-rulle-beläggning (dag 1)

  1. Läs MSDS för polymerer, molekyler och lösningsmedel noggrant innan du påbörjar ett experiment.
  2. Placera 90 mg O-IDTBR och 90 mg P3HT i en 10 ml injektionsflaska.
  3. Lös upp P3HT:O-IDTBR-fasta ämnen i 4,5 ml diklorbensen:bromoanisole (0,95:0,05) lösningsmedelsblandning. Den slutliga koncentrationen av bläcket är då 180 mg / 4,5 ml = 40 mg/ml.
  4. Placera en magnetomrörare i lösningen och försegla injektionsflaskan omedelbart. Placera den förseglade injektionsflaskan på en kokplatta med en magnetisk rotator. Ställ rotationen på 300 varv/min och värmeplattan på 60 °C och låt den röras om i 12 timmar.
  5. Upprepa proceduren för bläckberedning för P3HT:EH-IDTBR.

2. Förbereda och utföra gjut-till-rulle-beläggning (dag 2)

  1. Stäng av rotationen och värmeplattan. Ta bort injektionsflaskan från värmeplattan minst 1 timme innan du använder den, för att uppnå rumstemperatur på bläcken vid beläggning.
  2. Vind 18 m PET-substratfolie på matarrullen. Fäst substratets fria ände på lindarrullen enligt figur 5. Starta motorn för att köra folien 0,2 m för att dra åt substratet.
  3. Ställ in den första kokplattan på roll-to-roll-inställningen vid önskad temperatur (dvs. 60 °C). Ställ in den andra värmeplattan på 80 °C för att säkerställa att filmen torkas när den lindas på lindarrullen. Vänta ca 15 min tills temperaturen på de två värmeplattorna stabiliseras.
  4. Ladda 2,2 ml bläck i en 3 ml spruta. Montera sprutan i pumpen. Fäst ett rör från sprutan på beläggningshuvudet.
  5. Placera beläggningshuvudet nära slutet av den första värmeplattan genom att justera det horisontella översättningssteget och placera meniskstyrningen cirka 5 mm ovanför substratet.
  6. Ställ in sprutpumpen på följande beläggningsinställningar: Hastighet: 0,08 ml/min, sprutans diameter: 12,7 mm.
  7. Kontrollera tjockleken på det aktiva skiktet d genom att justera flödeshastigheten, f, och hastigheten på det rörliga substratet, v, enligt denna formel:
    Equation 1
    där w är filmens bredd (bestämd av meniskguiden) och ρ är densiteten hos materialen i bläcket. I detta experiment använder vi v=0,6 m/min med en flödeshastighet på f=0,08 ml/min, vilket resulterar i en film med en torr tjocklek på 425 nm.
  8. Kritiskt steg: Tryck bläcket manuellt från sprutan genom slangen och stanna 1 cm innan bläcket når beläggningshuvudet. Starta sprutpumpen och vänta på att en droppe blöter hela meniskguidens bredd. Sänk omedelbart beläggningshuvudet för att blöta substratet med bläcket och höj sedan meniskguiden till beläggningspositionen 2 mm ovanför substratet.
  9. Starta motorn som lindar upp substratet och börja täcka bläcket.
  10. För att stoppa beläggningen, stoppa pumpen och stoppa det rörliga substratet. Höj beläggningshuvudet till en säker höjd (ca 20 mm ovanför substratet). Rengör sedan huvudet och slangen med tetrahydrofuran.

3. Dag 2: Gisaxs-experiment på plats

  1. Beskrivning av röntgeninställning
    OBS: Den totala längden på röntgeninställningen för betesincidens är 4,5 m och består av en röntgenkälla med fokus på optik, en kollimationssektion, ett provstadium, ett flygrör, strålstopp och en detektor, som visas i figur 6. Röntgenkällan är en roterande anod från Rigaku.
    1. Använd en kopparanod för detta experiment och ställ in driftsförhållandet på 36 kV och 36 mA.
    2. Använd experimentet i fint fokusläge. Optiken består av en 2D-fokuserande flerskiktsmonokromator, som är i linje med att optimera reflektionen av Copper Kα-strålningen med en våglängd på 1,5418 Å. Kollimationssektionen består av tre stifthål placerade 45 cm, 141 cm respektive 207 cm nedströms från röntgenkällan. Borrhålens diametrar är 0,75 mm, 0,3 mm respektive 1,0 mm i diameter med en sondstorlek på cirka 1,0 mm vid provläget, vilket motsvarar ett strålavtryck på 286 mm vid 0,2° incidensvinkel. Strålen har ett flöde vid provet på 5 x 106 fotoners -1 och en profil som visas i figur 7, vänster panel.
    3. Se till att det finns minst tre styrbara motorer i provstadiet för att justera läget för mini roll-to-roll-coater. Nedströms provsteget, installera ett 166 cm evakuerat flygrör (mindre än 0,01 mbar) på racket följt av en Eiger 4M röntgendetektor31.
  2. Montera rullrockaren.
    1. Fäst mini roll-to-roll-coatern på goniometern. Montera goniometern med roll-to-roll-coatern på den optiska bänken vid provpositionen.
    2. Fäst de tre motorkablarna. Fäst goniometersteget på bänken. Närma dig flygröret så nära mini roll-to-roll-coatern som möjligt.
  3. Kritiskt steg: Justera exempelpositionen. Täck 10 cm av bläcket och rulla in filmen i balken. Justeringsproceduren är trefaldig.
    1. Rikta in provet parallellt med strålen. Detta uppnås genom en iterativ process för att skanna den summerade intensiteten hos direktstrålen som en funktion av det vertikala provet och incidensvinkeln.
    2. Anpassa provet till en specifik incidensvinkel, αi, genom att beräkna vinkeln från den reflekterade strålen på detektorn med följande formel:
      Equation 1  (1)
      Där RB är det reflekterade strålläget är DB direktstrålens läge (båda uppmätta i cm) och SDD är avståndet mellan prov och detektor, här 166 cm.
    3. Optimera intensiteten i den reflekterade strålen genom att skanna provpositionens höjd. För detta experiment, använd en incidensvinkel på 0,2°. 2D-uppgifterna för detta förfarande visas i figur 7.
  4. Val av incidensvinkel
    1. Välj incidensvinkel för att säkerställa penetration i lager av intresse. Här kommer detta att vara en incidensvinkel på 0,2°.
      OBS: För detta experiment består filmen av intresse av lösningsmedel, P3HT och IDTBR. Både P3HT och O-IDTBR har en högre densitet än lösningsmedlet, och har förmodligen den högsta kritiska vinkeln för total reflektion. Den kritiska vinkeln för P3HT och O-IDBTR kan variera beroende på deras förpackning vilket resulterar i en kritisk vinkel som varierar från 0,16° - 0,19°, förutsatt en densitet hos fasta ämnen på 1,1 - 1,35 g/cm3. Således valdes 0,2° för att säkerställa penetration i huvuddelen av filmen. För att utföra ett GISAXS-experiment på ett annat provsystem, utvärdera den bäst lämpade incidensvinkeln för ettspecifikt prov 28,59.
  5. Installera strålstoppet precis före detektorn, vilket förlänger detektorns livslängd. Använd ett cirkulärt strålstopp för direktbalken och ytterligare ett tunt rektangulärt strålstopp för att blockera den reflekterade strålen. Strålstoppet måste blockera direktstrålen men samtidigt tillåta detektering av spridning i låga spridningsvinklar.
    OBS: Det är möjligt att utföra detta experiment utan ett strålstopp för att möjliggöra konstant spårning av den reflekterade strålen.
  6. Installera punktsugningen. Placera punktsugningen för att avlägsna alla gaser från avdunstningsmedel. Fäst punktsugningen för att säkerställa att luftflödet vid provet är detsamma vid varje experiment.
  7. Ladda en spruta med 2,2 ml bläck och placera sprutan i sprutpumpen. Tryck bläcket manuellt från sprutan genom slangen och stanna 1 cm innan bläcket når beläggningshuvudet.
  8. Ställ in avståndet från beläggningshuvudet på röntgenstrålen. Placera beläggningshuvudet i ett läge av 120 mm som förskjutits från röntgenstrålen längs foliens rörelseriktning för att säkerställa en torktid på 12 sekunder (under 3 sekunders torktid, placera beläggningshuvudet 30 mm från röntgenstrålen) enligt figur 8.
  9. Börja rulla-till-rulle slot-die beläggning. Placera höjden på meniskstyrningen 5 mm ovanför substratet.
    1. Starta sprutpumpen och vänta på att en droppe blöter hela meniskguidens bredd. Sänk omedelbart beläggningshuvudet för att blöta substratet med bläck och höj sedan meniskguiden till beläggningspositionen 2 mm ovanför substratet.
    2. Starta motorn som lindar upp substratet och börja täcka bläcket.
  10. Börja spela in data. Öppna röntgenluckan och börja spela in data i 3000 sekunder.
    OBS: Detta experiment gjordes med en exponering på 3000 sekunder, en mer robust metod är att utföra flera kortare exponeringar för att tillåta flexibel temporal binning av data.
  11. Övervaka kvaliteten på den belagda filmen med en kamera. Leta efter avfuktande effekter av filmen på substratet och menisken feljusteringar. Stoppa vid behov mätningarna och gör om experimentet.
    1. Stäng röntgenluckan i slutet av experimentet. Stäng av röntgenstrålen på distans. Stoppa sprutpumpen, höj beläggningshuvudet och varva ner folien. Upprepa proceduren med en annan inställning för en serie experiment.

4. Databehandling

FYRA experiment utfördes och de specifika parametrarna finns i tabell 2. Ett av experimenten med P3HT:O-IDTBR stoppades efter 2732 sekunder på grund av ett sprutpumpfel; Signalen måste därför normaliseras för att ta hänsyn till skillnaden i förvärvstid.

  1. Datakorrigering
    1. Använd först en mask för att korrigera för strålstoppet och döda pixlar33. Följ med ett kosmiskt strålfilter som utvecklas av SAXSLAB, sedan platt fältkorrigering, tidskorrigering, ett filter för de ytterligare spridningstopparna som härrör från polykristallin aluminium som är tydligt synliga i de två datamängderna som visas i figur 9, vänster panel.
  2. Från verkligt till ömsesidigt utrymme
    1. Konvertera 2D-data från verkligt utrymme till den ömsesidiga utrymmesvektorn qx,y,z i enheter i Å-1 med den här formeln:
      Equation 1  (2)
      Här är αi incidensvinkeln med avseende på ytans normala, α f är utgångs-/slutvinkeln på detektorn (vertikal på detektorn), 2θf är utgångs-/slutvinkeln i planet (horisontellt på detektorn), och λ är våglängden på infallsstrålen. Anta att våglängden bevaras, även känd som elastisk spridning34.
  3. Horisontell linjeintegration vid Yoneda-linjen
    1. Bestäm x- respektive y-koordinaten för strålens mitt, provet till detektoravståndet (SDD = 1,66 m), röntgenstrålarna (1,5418 Å) och pixelstorleken i varje riktning (75 x 75 μm2).
    2. Beräkna den förväntade positionen för Yoneda-linjen från den kritiska vinkeln för det undersökta provet28,34,35,36.
    3. Hämta spridningsintensiteten som en funktion av spridningsvektor qxy, med hjälp av ett MatLab-skript eller genom att använda dedikerad programvara som DPDAK eller Xi-Cam38,39. Utför horisontell linjeintegration längs Yoneda-linjen enligt figur 9, med en bredd på 50 pixlar åt varje sida för att säkerställa ett tillfredsställande signal-till-brusförhållande.
  4. Binning av horisontell integrering
    1. För att undvika översampling (se figur 9, höger panel) och för att öka förhållandet mellan signal och brus för de stora spridningsvektorerna qxy, släng data logaritmiskt40.
    2. Släng inte datapunkterna förrän qxy = 0,5 x 10-3Å. Detta är inte nödvändigt på grund av den höga intensiteten och det ömsesidiga avståndet i q-space, vilket säkerställer att det inte finns några redundanta datapunkter.
    3. Från qxy = 0,5 x 10-3Å och högre, dela upp qxy-axelni 135 jämnt fördelade fack på en logaritmisk skala, på ett sådant sätt att den första behållaren vid qxy = 0,53 x 10-3Å är medelvärdet av två datapunkter, och den slutliga binnedpunkten vid qxy = 0,3Å är ett medelvärde på 24 poäng.
  5. Använda Teubner-Strey-modellen
    1. Använd tre Teubner-Strey-bidrag för att beskriva data. De två första bidragen beskriver kontrasten mellan givaren/acceptorn och det sista bidraget beskriver kontrasten mellan större aggregat av material omgivna av lösningsmedlet. Det matematiska uttrycket för spridningsintensiteten är följande:
      Equation 1  (3)
      Om β är en konstant bakgrund definieras parametrarnaa 1,i, c1,i, c2,inär det gäller domänstorlek, d ioch korrelationslängd ξ i, enligt följande:

      Equation 1 (4)
      Från ekvationer (4) kan domänstorleken och korrelationslängden uttryckas på följande sätt:
      Equation 1  (5)
      Och
      Equation 1  (6)
      där d1, ξ1,d2 och ξ2 är parametrarna för givar-/acceptorfaserna, och d3 och ξ3 är parametrarna för de aggregerade/lösningsmedelsfaserna. De monterade modellerna visas i figur 10. Resultaten från de fyra passformerna, baserade på den beskrivna Teubner-Strey-modellen, finns i tabell 3.

Representative Results

Först och främst beskriver detta dokument metoden och protokollet för att utföra ett framgångsrikt roll-to-roll in situ-internt GISAXS-experiment för att undersöka torkning av tunnfilmer. Baserat på armaturen kan man dra slutsatsen att Teubner-Strey-modellen framgångsrikt beskriver data för P3HT:EH-IDTBR och P3HT:O-IDTBR för både 12 och 3 sekunders torkning enligt figur 10.

De karakteristiska längdskalor som baseras på Teubner-Strey-modellen finns i tabell 3 med motsvarande osäkerheter i tabell 4. För alla fyra passar är domänstorleken och korrelationslängden för den högsta qxy, d1 och ξ1, nära samma värde, varierar från 12,0 ± 1,7 nm till 12,5 ± 2,2 nm och från 3,9 ± 0,4 nm till 5,0 ± 0,4 nm. Dessa två karakteristiska storlekar och längder liknar de värden som rapporteras i litteraturen för torrfilmen bulk heterojunktioner av P3HT:IDTBR och P3HT:PCBM41,42. För de stora strukturerna, d3 och ξ3, finns det en tydlig tendens att strukturerna blir större när den torkar. För P3HT:EH-IDTBR ökar den från 225 ± 10,3 nm till 562 ± 11,1 nm, och för P3HT:O-IDTBR ökar den från 241 ± 4,1 nm till 489 ± 9,2 nm. Korrelationslängderna, d2, finns till 30 ± 12 nm och 34 ± 3,5 nm för P3HT:O-IDTBR och 41 ± 14 nm för båda P3HT:EH-IDTBR-experimenten. Märkbart nog är d2 mer uttalad efter 3 sekunders torkning än efter 12 sekunders torkning för P3HT:O. IDTBR i motsats till P3HT:EH-IDTBR, där d2 är mer uttalad efter 12 sekunders torkning än efter 3 sekunders torkning. Huruvida d2 löses upp för att bidra till den signal som erhålls vid d1 eller klustret för att bidra till d3 bestäms inte i detta experiment.

Baserat på formalismen av Teubner-Strey20, de karakteristiska parametrarna för en1,i, c1,i, c2,jag angeratt småskaliga skalor, en 1,1, c1,1, c2,1, en1,2, c1,2, c2,2, är karakteristiska för ett tidigt skede av spinodal nedbrytning där de två faserna blandas43. Detta är i stämmande med den allmänna förståelsen av morfologin hos blandning av givare/acceptorer. De stora längdskalorna, en skala på 1,3, c1,3, c2,3, är karakteristiska för mikroemulsioner20, vilket orsakas av kontrasten (elektrontäthetsskillnaden) mellan aggregat av material och lösningsmedel. Från detta experiment är det omöjligt att skilja om dessa karakteristiska parametrar på d3 orsakas av skillnaden i elektrontäthet mellan antingen P3HT:O-IDTBR/Solvent, O-IDTBR/Solvent eller P3HT/Solvent.

För att passa en modell för röntgen är spridningsdata ett inneboende omvänt problem. Därför kan flera modeller användas för att beskriva spridningsdata. För denna analys tillämpades formuleringen av Teubner och Strey20,44 för att passa data. Ramverket härstammar från en orderparameterexpansion av Landau-fri energi för att beskriva spridningsintensiteten från tvåfassystem. Tolkning av modellen är en abstrakt geometrisk struktur i ett tvåfassystem med en karakteristisk domänstorlek och en korrelationslängd som kallas från statistiskmekanik 45.

Det finns många sofistikerade modeller som kan förutsäga 2D-data från GISAXS-experiment och användarvänliga program34,46 för att modellera detta. Vanligtvis modelleras GISAXS-data från BHJ med förvrängd wave born approximation (DWBA) med mycket hög noggrannhet27,40,47,48. Den största nackdelen är dock att den modellerade strukturen inte motsvarar den komplexitet som förväntas i ett BHJ. Ett enklare tillvägagångssätt är att begränsa analysen till qxy-riktningen. När endast 1D-horisontella linjeskärningar i qxy beaktas, är det rättvist att anta att den främsta bidragsgivaren till spridning uppstår från de laterala strukturerna som finns i filmen. Förutsatt detta kan det visas att momentumöverföringen som hämtas från de horisontella linjeskärningarna motsvarar överföring SAXS49,50, varifrån Teubner-Strey härleds20 och därför gäller för analysen som presenteras här.

Denna modell väljs av tre skäl: För det första är modellen ett analytiskt uttryck som har visat sig passa en mängd tvåfassystem inklusive BHJ20,26,51, och den kan användas för mycket snabbkopplingsalgoritmer, vilket är tillämpligt för storskalig kvalitetskontroll och för in situ-mätningar. För det andra, så gott vi vet, är denna modell i linje med den morfologi som observerats för P3HT:O-IDTBR genom transmissionselektronmikroskopi (TEM)52 och atomkraftmikroskopi (AFM)42. För det tredje är det en enkel modell, det vill säga den sträcker sig över ett litet parameterutrymme.

Dessutom dokumenterar detta dokument att det är möjligt att sondera torkprotiker av icke-fulleren organiska solceller med en in-house röntgenkälla. Dessutom har denna metod potential att fungera som ett verktyg för att påskynda forskningen i storskaliga roll-to-roll belagda OPV.

Figure 1
Figur 1: Kemisk struktur av P3HT, O-IDTBR och EH-IDTBR. Klicka här om du vill visa en större version av den här figuren.

Figure 2
Figur 2: (Vänster) Arbetsprincip för en organisk solcells med bulk heterojunktion. Solljus skapar en exciton, som vid separation gör att hålet och elektronen kan spridas till katoden respektive anoden. -Jag har inte tid med det här. Energidiagram över HOMO- och LUMO-nivåerna för givaren och acceptorn. Klicka här om du vill visa en större version av den här figuren.

Figure 3
Figur 3: (Vänster) JV-kurvor för rullstår belagda på flexibelt substrat P3HT:O-IDTBR och P3HT:EH-IDTBR, motsvarande de enheter som bäst presterar i tabell 1. -Jag har inte tid med det här. EQE kurvor av rullstår belagd på flexibelt substrat P3HT:O-IDTBR och P3HT:EH-IDTBR. Klicka här om du vill visa en större version av den här figuren.

Figure 4
Figur 4: Bilder av de två bläcken, rulle belagda på PET-substrat. Överst är P3HT:EH-IDTBR och botten är P3HT:O-IDTBR. Klicka här om du vill visa en större version av den här figuren.

Figure 5
Bild 5: (Vänster) Bild av mini roll-to-roll coater. 1. a) 1.b) anger foliematarens respektive mottagarens rotationscentrum. Motorn är på baksidan av roll-to-roll coater och är en steppermotor. 2) Översättningsstegen för beläggningshuvudet, som kan röra sig i alla tre riktningarna, längs folien, upp och ner och utåt och inåt. 3) Slitsen pressar beläggningshuvudet, där en slang med bläck kan fästas. 4) De två kokplattorna, som indikeras av de två pilarna, som kommer att värma det rörliga substratet till önskad temperatur. I detta experiment var det inställt på 60 °C. Alla delar fjärrstyrs. -Jag har inte tid med det här. Roll-to-roll-coater installerad vid GISAXS-uppsättningen. Klicka här om du vill visa en större version av den här figuren.

Figure 6
Figur 6: Experimentell uppsättning för betesincidens liten vinkel röntgen spridning. 1) Röntgenkälla är en roterande anod tillverkad av Rigaku. En roterande anod tillverkad av koppar drevs vid 36 kV 36 mA. 2) Optiksektion, där Cu Kα karakteristisk fluorescens från den roterande anoden diffract från en enda studsande flerskiktsspegel, vilket gör strålen monokromatisk vid våglängd: λ =1.5418 Å. 3) Attenuatorstation, som inte tillämpades för detta experiment. 4) Collimation avsnitt, bestående av tre pinholes efter varandra som anges med de tre pilarna. Stifthålens diameter är 0,75 mm, 0,3 mm respektive 1,0 mm. 5) Mini roll-to-roll coater position fäst vid en vertikal rörlig axel och en goniometer för att styra incidensvinkeln. 6) Flygrör i vakuum. 7) Eiger 4M detektor. Klicka här om du vill visa en större version av den här figuren.

Figure 7
Figur 7: Tre steg i justeringsproceduren illustreras som råA 4M-data. -Jag har inte tid med det här. Se först till att det inte finns något som blockerar direktstrålen. I det här exemplet är strålstoppet placerat precis till vänster och under direktbalken. - Jag har inte tid med det här. Skanna provet längs den vertikala axeln och placera det där hälften av direktstrålen blockeras av provet. Rotera sedan provet för att gradvis ändra incidensvinkeln och placera provet där direktstrålens intensitet är högst. Denna procedur måste göras 3-5 gånger för att säkerställa att provet är helt parallellt med strålen. -Jag har inte tid med det här. Rotera provet tills en tydlig reflektion sker på detektorn. Från dessa två positioner kan den exakta incidentvinkeln beräknas (se text). Klicka här om du vill visa en större version av den här figuren.

Figure 8
Figur 8: Två steg av torkning sett från två olika vinklar. (Vänster) är det våta stadiet, där filmen har torkat i 3 sekunder innan den sonderats. (Höger) är det torra stadiet där filmen har torkat i 12 sekunder. Kontrasten har ökats för att visualisera effekten av kanttorkningen. Klicka här om du vill visa en större version av den här figuren.

Figure 9
Bild 9: (Vänster) 2D-data P3HT:O-IDTBR vid 12 sekunders torkning med 3000 sekunders förvärvstid. Den röda rektangeln anger var den horisontella integrationen har utförts och de intensiva områden som markerats som aluminiumtoppar kommer från värmeplattan. -Jag har inte tid med det här. Den horisontella integrationen från den röda rektangeln där aluminiumtopparnas q-vektorer utelämnas från integrationen. Klicka här om du vill visa en större version av den här figuren.

Figure 10
Figur 10: Binned horisontell linjeintegration för de fyra experimenten: P3HT:EH-IDTBR (svart) och P3HT:O-IDTBR (blå) sonderad vid både 12 sekunder (trianglar) och 3 sekunder (rutor) av torkning tillsammans med Teubner-Strey passar. Klicka här om du vill visa en större version av den här figuren.

Torktid (er) Mättid (er)
P3HT:O-IDTBR 3.0 2732
P3HT:O-IDTBR 12 3000
P3HT:EH-IDTBR 3.0 3000
P3HT:EH-IDTBR 12 3000

Tabell 1: Optoelektroniska egenskaper hos 1 cm2 organiska solceller baserade på P3HT:O-IDTBR och P3HT:EH-IDTBR som visar effektomvandlingseffektiviteten (PCE), kortslutningsströmtätheten (JSC),fyllningsfaktorn (FF) och den öppna kretsspänningen (VOC),under 100 mW/cm2 belysning.

P3HT:EH-IDTBR Pce
(%)		 J SC (JSC)
(mA/cm2)		 Ff
(%)		 VOC
mV) I artikel 2.1 skall
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
Genomsnittliga 2.07 5.01 58.49 0.70
exempel på stativ dev 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
Genomsnittliga 3.22 7.58 60.08 0.71
exempel på stativ dev 0.14 0.26 0.70 0.00

Tabell 2: Översikt över data. P3HT:O-IDTBR med en torktid på 3,0 s stoppades efter 2732 s på grund av ett sprutpumpfel.

Monterade värden 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

Tabell 3: Monterade värden från de fyra experimenten. Alla enheter på [nm].

Fel 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

Tabell 4: Standardavvikelser för de monterade värdena från de fyra experimenten. Alla enheter på [nm].

Discussion

Incidensvinkeln är mycket viktig för ett GISAXS-experiment. Det kan ifrågasättas hur stabil filmen kommer att röra sig med avseende på incidensvinkeln under roll-to-roll-beläggningen på 18 meter film på ett flexibelt substrat. För de experiment som utförs i denna demonstration kan vi inte bevisa stabiliteten hos det rörliga substratet, men tidigare publicerade data där en äldre version av installationen används, dokumentera en stabil film18,21. Tidigare synkrotronexperiment där denna roll-to-roll-coater har använts har visat att incidensvinkeln inte varierar mer än ± 0,03° enligt vad som utvärderas av positionen för den reflekterade strålen som en tidsfunktion (med en temporal upplösning på 0,1 s), vilket motsvarar ± 12 pixlar från Yoneda-linjen för detta experiment, medan den horisontella linjeintegrationen gjordes med ± 50 pixlar. Enligt antagandet för denna analys kommer denna lilla förändring av incidensvinkeln inte att påverka analysen av detta arbete och kan därför försummas. I framtiden bör denna typ av experiment utföras utan strålstopp och med kontinuerlig insamling av data för att undersöka infallsvinkeln under hela experimentet.

Luftkonvektion ovanför torkfilmen, det relativa trycket och den relativa luftfuktigheten är kända för att påverka torkprofilen för tunnfilmer. För att göra ett fullständigt reproducerbart experiment är det därför nödvändigt att noggrant mäta dessa parametrar. Jämförelsen mellan de fyra mätningarna i detta dokument är giltig på grund av att dessa belagdas under exakt samma förhållanden samma dag.

För att utföra ett GISAXS-experiment på plats måste flera kriterier uppfyllas för att säkerställa ett lyckat experiment. Skillnaderna i elektrontäthet (kontrast) mellan materialen måste vara tillräckligt stora för att ha en spridningssignal. Riktlinjer för detta ämne har publicerats J. Als-Nielsen et al.53.

På grund av det låga röntgenflödet hos en laboratoriekälla i förhållande till en synkrotron behövs mycket mer material för att utföra sådana experiment. Således är det inte fullt tillämpligt för materialupptäckt men kommer att fungera som ett verktyg för optimering av formuleringar av bläck som är relevanta för OPV. Dessutom, på grund av det låga flödet, är det bara möjligt att utföra grovare experiment med avseende på temporal upplösning av torkfärger. Under sådana experiment undersöker vi 18 meter aktivt lager under torkning. Vi förväntar oss små variationer i den storskaliga morfologin under hela experimentet, och vi undersöker därför medelvärdet av 18 meter bestruken film. Detta efterliknar villkoren för en storskalig tillverkning. Om inhomogeniteten inom några meter ska studeras behövs synkrotronstrålning.

Att utföra exponeringar på 3000 sekunder är inte den optimala experimentella designen. En mer robust metod är att utföra flera kortare exponeringar för att tillåta flexibel temporal binning av data för att analysera de storskaliga homogeniteterna och att alltid undersöka incidensvinkeln.

Så gott vi vet är detta den första demonstrationen av att utföra en in situ GISAXS på roll-to-roll-beläggning av bläck för OPV på en laboratorieröntgenkälla, även om vi tidigare har visat liknande experiment som analyserar den kristallina diffraktionssignalen54,55. Med denna demonstration och protokoll tror vi att det blir lättare att tillämpa och utföra GISAXS-experiment på plats för forskare, studenter och utvecklingsingenjörer. Detta kan potentiellt påskynda forskningsområdet, helt enkelt för att det är möjligt att få tillgång till sådan utrustning dagligen. Genom att använda en roll-to-roll-coater är det dessutom möjligt att jämföra solcellens prestanda med de strukturella egenskaper som undersökts i detta experiment, 1:1.

Förbättringar av den experimentella installationen krävs för att utnyttja alla fördelar med att ha en in house röntgenkälla. Förutom att öka det användbara röntgenflödet för små laboratoriekällor är det första steget för förbättringen av detta experiment att undvika att sprida toppar från aluminium som överdriver data, som visas i figur 9 (vänster). Detta kan realiseras genom att installera en röntgenabsorberande substrathållare som tål temperaturer upp till 150 °C för korrekt uppvärmning. Dessutom skär vakten precis innan provet kommer att förbättra datakvaliteten. Denna demonstration är inte enbart av intresse för forskning i det organiska solcellssamhället, utan alla fält som undersöker eller optimerar beläggningsparametrar för tunnfilmsteknik. Att kombinera denna teknik med samtidig GIWAXS, där kristallina strukturer undersöks, kommer att ytterligare öka antalet vetenskapliga fält där i hus roll-to-roll röntgenexperiment är tillämpliga.

Eftersom dessa in situ roll-to-roll-experiment undersöker våta filmer är det fördelaktigt om lösningsmedlet inte absorberar för stora fraktioner av den upplysta röntgenstrålen. I allmänhet polymer: PCBM-system har en stor kontrast och i kombination med ett lösningsmedel som inte innehåller klor (som är en stark röntgenabsorbent) garanterar en stor kontrast, vilket innebär en hög spridningsintensitet. För detta experiment är kontrasten mellan P3HT:IDTBR liten och i kombination med ett klorerat lösningsmedel är spridningsintensiteten låg. Dessa material är inte idealiska för ett sådant experiment, men mycket intressanta för solceller, varför denna teknik måste vidareutvecklas för att säkerställa att system med låg kontrast och hög absorbans också kan undersökas. Valet av modell är den mest avgörande faktorn för att utföra en jämförande analys över flera GISAXS-experiment. För den analys som presenteras i detta dokument tillämpades teubner-Streys ramverk för att beskriva de fyra datamängderna. Den bästa metoden för att välja modell är att ha ab initio-information om formen och storleken på det undersökta provet. Detta kan uppnås från antingen TEM-bilder, simuleringar eller mikroskopbilder. Resonemanget bakom vårt val av modell anges i texten, men det bör noteras att flera modeller kan väljas för att beskriva sådana GISAXS-data. Teubner-Strey-modellen utvecklades ursprungligen för överföring SAXS men har framgångsrikt modellerat GIWAXS-data för BHJ-solcellerföre 51 och nu här. Ytterligare förbättringar är att anpassa abstrakta geometriska modeller som kallas från molekylära dynamiksimuleringar och tillämpa DWBA på modell 2D-data. Alternativa modeller inkluderar: strikta geometriska objekt med en grad av polydisperse fördelning av storlek som beskrivs och tillämpasi 53, där DWBA är nödvändigt för att modellera 2D-data, en kombination av Fresnel-reflektivitet och gaussiska fördelningar för att passa beställda system som co-blockpolymerer GISAXS-signaler56, pärlmodeller främst för biologiska prover57, och fraktal geometri58,59.

Disclosures

Författarna har inget att avslöja.

Acknowledgments

Författarna vill uppmärksamma de två tekniker som hjälpte till att bygga om och underhålla instrumentet, Kristian Larsen och Mike Wichmann. Vidare vill författarna tacka Roar R. Søndergaard och Anders Skovbo Gertsen för givande diskussioner. Denna studie stöddes av Europeiska forskningsrådet (ERC) inom ramen för Europeiska unionens forsknings- och innovationsprogram Horisont 2020 (SEEWHI Consolidator grant No. 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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. 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).
  2. 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).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. Liu, Q., et al. 18% Efficiency organic solar cells. Science Bulletin. , (2020).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. He, Z., et al. Enhanced power-conversion efficiency in polymer solar cells using an inverted device structure. Nature Photonics. 6 (9), 591-595 (2012).
  17. 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).
  18. 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).
  19. Müller-Buschbaum, P. A basic introduction to grazing incidence small-angle X-ray scattering. Lecture Notes in Physics. 776, 61-89 (2009).
  20. Teubner, M., Strey, R. Origin of the scattering peak in microemulsions. The Journal of Chemical Physics. 87 (5), 3195-3200 (1987).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).
  24. 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).
  25. 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).
  26. 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).
  27. Liu, F., et al. Printing Fabrication of Bulk Heterojunction Solar Cells and In Situ Morphology Characterization. Journal of Visualized Experiments. (119), 53710 (2017).
  28. Hexemer, A., Müller-Buschbaum, P. Advanced grazing-incidence techniques for modern soft-matter materials analysis. IUCrJ. 2 (1), 106-125 (2015).
  29. 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).
  30. Carlé, J. E., et al. Overcoming the Scaling Lag for Polymer Solar Cells. Joule. 1 (2), 274-289 (2017).
  31. Dectris Technical Specifications EIGER R 4M Detector Systems. , Available from: www.dectris.com (2018).
  32. 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).
  33. Pauw, B. R. Everything SAXS: Small-angle scattering pattern collection and correction. Journal of Physics Condensed Matter. 25 (38), 1-2 (2013).
  34. Babonneau, D. FitGISAXS: Software package for modelling and analysis of GISAXS data using IGOR Pro. Journal of Applied Crystallography. 43 (4), 929-936 (2010).
  35. Yoneda, Y. Anomalous surface reflection of X rays. Physical Review. 131 (5), 2010-2013 (1963).
  36. 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).
  37. Liu, J., Yager, K. G. Unwarping GISAXS data. IUCrJ. 5, 737-752 (2018).
  38. 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).
  39. Pandolfi, R. J., et al. Xi-cam: a versatile interface for data visualization and analysis. Journal of Synchrotron Radiation. 25 (4), 1261-1270 (2018).
  40. 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).
  41. 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).
  42. 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).
  43. Allen, S. M. Spinodal Decomposition. Encyclopedia of Materials: Science and Technology. , 8761-8764 (2001).
  44. 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).
  45. Gould, H., Tobochnik, J. Statistical and thermal physics : with computer applications. , Princeton University Press. (2010).
  46. Pospelov, G., et al. BornAgain: software for simulating and fitting grazing-incidence small-angle scattering. Journal of Applied Crystallography. 53, 262-276 (2020).
  47. 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).
  48. 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).
  49. 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).
  50. 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).
  51. Kozub, D. R., et al. Polymer Crystallization of Partially Miscible Polythiophene/Fullerene Mixtures Controls Morphology. Macromolecules. 44, 5722-5726 (2011).
  52. Köntges, W., et al. Visualizing morphological principles for efficient photocurrent generation in organic non-fullerene acceptor blends. Energy & Environmental Science. , 1259-1268 (2020).
  53. 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).
  54. 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).
  55. 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).
  56. 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).
  57. 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).
  58. Bale, H. D., Schmidt, P. Small-Angle X-Ray-Scattering Investigation of Submicroscopic Porosity with Fractal Properties. Phys. Rev. Lett. 3 (6), (1984).
  59. Anitas, E. M., Slyamov, A. Structural Properties of Additive Nano/Microcellular Automata. Annalen der Physik. 530 (6), 1800004 (2018).

Tags

Kemi Nummer 169 in situ GISAXS organiska solceller icke-fulleren acceptor roll-to-roll beläggning Teubner-Strey torkantik
In situ-betesincidens liten vinkelröntgenspridning på roll-to-roll-beläggning av organiska solceller med laboratorieröntgeninstrumentering
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Korning Sørensen, M., Espindola … More

Korning Sørensen, M., Espindola Rodriguez, M., Castro, M. F., Nambi, A., Kuhn, L. T., Andreasen, J. W. In situ Grazing Incidence Small Angle X-ray Scattering on Roll-To-Roll Coating of Organic Solar Cells with Laboratory X-ray Instrumentation. J. Vis. Exp. (169), e61374, doi:10.3791/61374 (2021).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter