January 29th, 2017
여기서는 미니 슬롯 다이 코터 싱크로트론 산란 기법을 사용하여 종래의 라인 구조를 사용하여 특성화 유기 박막 태양 전지를 제조하는 프로토콜을 제시한다.
이 실험의 전반적인 목표는 유기 박막 태양 전지의 인쇄 제작을 시연하고 용매 증발 중 박막 형태 진화를 관찰하는 것입니다. 이 방법은 박막, 태양 전지 및 폴리머 코팅과 같은 기능성 박막의 주요 질문에 답하는 데 도움이 됩니다. 이 기술의 주요 장점은 산업 처리 및 싱크로트론 기술이 잘 결합되어 재료 과학의 기본 측면을 입증한다는 것입니다.
이 방법의 의미는 최종 형태 및 장치 성능을 결정하는 데 중요한 인접한 박막의 형태 진화를 이해하는 데 도움이 됩니다. 따라서 이 기술은 박막 유기 광전지의 형태에 대한 정보를 제공할 수 있습니다. 또한 발광 다이오드 또는 기능성 박막 재료와 같은 다른 재료에 대한 정보를 제공할 수도 있습니다.
기판을 로드하려면 준비된 PEDOT:PSS 코팅된 인듐-주석-산화물 기판을 미니 슬롯 다이 코팅기의 베이스 플레이트에 놓습니다. 기판 플레이트 아래의 선형 매니퓰레이터를 사용하여 기판의 위치를 조정하여 프린터 헤드 바로 아래에 놓습니다. 인쇄 헤드를 고정하는 2차원 틸팅 조작기를 사용하여 헤드 틸팅을 조정합니다.
헤드가 적재된 기판 위에 수직으로 서 있는지 확인하십시오. 헤드에서 기판까지의 거리를 0으로 조정합니다. 수직 모터는 힘 센서와 결합됩니다.
인쇄 헤드가 떠 있을 때 인쇄 헤드의 무게와 틸팅 매니퓰레이터 어셈블리에서 일정한 힘 판독값을 얻을 수 있습니다. 프린터 헤드가 기판에 닿으면 판독값이 감소하여 제로 위치를 표시합니다. 실험을 실행하기 위해 헤드를 기판 값으로 설정합니다.
이 실험에서는 헤드와 기판 사이의 간격을 100미크론으로 설정합니다. 다음으로, 인쇄에 사용할 선형 평행 이동 스테이지 모터를 조정합니다. 10mm 모터 위치를 시작점으로 설정하고 80mm 모터 위치를 끝점으로 설정합니다.
모터 제어 소프트웨어 인터페이스를 사용하여 인쇄 속도를 초당 10mm로 설정합니다. 모터 가속 속도를 초당 100미터로 설정합니다. OPV 잉크를 1ml 주사기에 넣고 슬롯 다이 프린터에 연결된 주사기 펌프에 주사기를 장착합니다.
제어 소프트웨어에서 인쇄 매개변수를 설정합니다. 인쇄 실험을 시작하려면 제어 소프트웨어의 위치 창에 시작점 위치를 입력합니다. 이 작업은 기판을 시작점으로 이동합니다.
주사기 펌프 소프트웨어에서 시작을 클릭하여 용액을 슬롯 다이 헤드로 펌핑하기 시작합니다. 용액이 프린팅 헤드에서 나오기 시작할 때 변환 모터를 빠르게 시작하십시오. 기판이 끝 위치로 이동합니다.
실린지 펌프를 멈추고 수직 모터를 사용하여 프린팅 헤드를 들어 올립니다. 진공 청소기를 끄고 베이스 플레이트에서 기판을 제거합니다. 인쇄된 기판을 진공 오븐에 3-5시간 동안 로드하여 잔류 용매를 제거합니다.
다음으로 인쇄 헤드 아래에 페트리 접시를 놓습니다. 클로로포름 10ml를 프린팅 헤드에 주입하여 청소합니다. 오염된 클로로포름 용액을 페트리 접시와 함께 수집합니다.
X-ray 측정에서 공기 산란을 억제하기 위해 헬륨 박스를 설정합니다. 미니 슬롯 다이 코팅기를 헬륨 상자에 장착합니다. 광학 간섭계를 인쇄기에 장착하여 용매 증발에 따른 두께 변화를 모니터링합니다.
PEDOT : PSS 코팅 된 웨이퍼 기판을 프린터의 기판 홀더에 놓고 이전과 같이 헤드와 기판 위치를 조정하십시오. 헬륨 상자를 퍼지하여 공기를 제거합니다. 산소 농도는 산소 센서로 모니터링할 수 있는 0.3% 미만이어야 합니다.
X-ray가 기판에 충돌하는 위치에 기판을 정렬하고 입사각(이 경우 0.16도)을 설정합니다. 데이터 수집 방법에서 X-ray 노출 시간을 설정합니다. 여기서 노출 시간으로 2초를 사용하고 서버 빔 손상을 방지하기 위해 3초의 지연 시간을 사용합니다.
따라서 각 실험 기간은 5초입니다. 100장의 사진을 촬영하는 100회 반복 연속 대기열을 수행합니다. 실험의 이름을 지정하고 실험 파일을 저장할 데이터 경로를 선택합니다.
모터 제어 소프트웨어에서 시작 위치를 입력하여 기판을 시작 위치로 이동합니다. X-ray 셔터를 시작하면 검출기가 회절 및 산란 신호를 지속적으로 기록합니다. 그런 다음 주사기 펌프를 시작하여 용액을 프린팅 헤드에 공급합니다.
감시 카메라로 모니터링되는 대로 용액이 인쇄 헤드에서 배출되기 시작하면 인쇄 프로세스를 빠르게 시작하십시오. 사전 선택된 측정 위치에 도달하면 2차원 검출기가 용액의 산란 신호를 캡처합니다. 필름 두께는 간섭계로 모니터링됩니다.
따라서 박막 형태 진화가 기록됩니다. 실험이 완료되면 프린터 헤드를 들어 올리고 헤드를 청소하십시오. 여기에 표시된 것은 공액 폴리머 PCBM 혼합물로 코팅된 ITO 기판입니다.
영화는 시각적으로 매우 부드럽습니다. 코팅 된 필름의 시작과 끝은 형성된 반월 판과 가장자리의 건조로 인해 항상 균일하지는 않습니다. 갓 코팅된 기판은 결국 섀도우 마스크에 로드됩니다.
마스크는 음극 얇은 층을 증착하기 위해 증발기에 적재됩니다. 여기에 표시된 것은 음극층 증착 후 완성된 장치입니다. 장치 성능은 제곱센티미터당 100밀리와트 미만의 태양열 시뮬레이터를 사용하여 측정됩니다.
다음은 미니 슬롯 다이 코팅 장치의 대표적인 전류 전압 곡선입니다. 슬롯 다이 코팅 장치의 경우 평균 5.2%의 전력 변환 효율이 달성되며, 이는 스핀 코팅에 의해 달성된 효율에 가깝습니다. 이 그림은 용매 건조 중 일반적인 현장 방목 입사각, 소각 산란 실험을 나타냅니다.
시간의 변화는 색상으로 구분됩니다. 과량의 용매가 존재했던 건조 초기 단계에서는 적색 산란 곡선이 나타나고 혼합물이 잘 혼합됩니다. 산란 피크는 약 0.02 역 옹스트롬에서 점진적으로 발생했으며, 이는 약 60나노미터의 상 분리를 나타냅니다.
이 정보는 현장 X선 회절 결과와 결합될 때 고분자 결정화 및 상 분리의 역학을 보여줍니다. 이 기술을 숙달하면 제대로 수행하면 약 5분 안에 완료할 수 있습니다. 이러한 실험을 시도하는 동안 각 재료 시스템에 대해 이상적인 조건을 찾아야한다는 것을 기억하는 것이 중요합니다.
이는 모든 실험에 최적화되어야 합니다. 이 방법은 박막 태양 전지 연구자들이 산업 제조의 구조와 특성 관계를 탐구할 수 있는 길을 열었습니다. 이 비디오를 시청한 후에는 싱크로트론 빔라인에서 현장 프린팅 실험을 수행하는 방법을 매우 잘 이해하게 될 것입니다.
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이 문서는 미니 슬롯 다이 코터를 사용하여 유기 박막 태양 전지를 제조하는 프로토콜을 제시합니다. 또한 동기 방사선 산란 기술을 활용한 인라인 구조 특성화에 대해 논의합니다.
This protocol bridges laboratory-scale organic photovoltaic research with industrial manufacturing by enabling real-time, in situ morphology characterization during slot die coating. It supports predictive confidence in thin film solar cell development by linking processing conditions to final device performance. The approach facilitates translational continuity from discovery to scale-up by providing quantitative structural insights under industrially relevant fabrication conditions.
The method integrates into the discovery continuum by enabling hypothesis-driven evaluation of thin film formation processes, supporting lead identification through morphology-performance correlations, and informing preclinical translation via predictive structural analytics.