Hier presenteren we een protocol om organische dunne film zonnecellen met behulp van een mini-slot sterven coater en de bijbehorende in-line structuur karakteriseringen met behulp van synchrotronstraling scattering technieken te fabriceren.
Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.
Methodenartikel
Hier presenteren we een protocol om organische dunne film zonnecellen met behulp van een mini-slot sterven coater en de bijbehorende in-line structuur karakteriseringen met behulp van synchrotronstraling scattering technieken te fabriceren.
Polymeergebaseerde materialen beloven veel als goedkope, flexibele en efficiënte fotovoltaïsche apparaten. De meeste laboratoriuminspanningen om hoogwaardige apparaten te bereiken, hebben gebruik gemaakt van apparaten die zijn bereid door spin coating, een proces dat niet geschikt is voor grootschalige fabricage. Deze mismatch in apparaatfabricage maakt het moeilijk om kwantitatieve resultaten verkregen in het laboratorium te vertalen naar commercieel niveau, waardoor optimalisatie moeilijk wordt. Met behulp van een mini-slot die coater kan deze mismatch worden opgelost door het commerciële proces naar het laboratorium te vertalen en de structuurvorming in de actieve laag van het apparaat in realtime en in situ te karakteriseren terwijl films op een substraat worden gecoat. De evolutie van de morfologie werd gekenmerkt onder verschillende omstandigheden, waardoor we een mechanisme kunnen voorstellen waarmee de structuren zich vormen en groeien. Deze mini-slot die coater biedt een eenvoudige, gemakkelijke, materiaalefficiënte route waarmee de morfologie in de actieve laag kan worden geoptimaliseerd onder industrieel relevante omstandigheden. Het doel van dit protocol is om experimentele details te tonen van hoe een zonnecelapparaat wordt vervaardigd met behulp van een mini-slot die coater en technische details van het uitvoeren van in situ structuurkarakterisering met behulp van de mini-slot die coater.
Organische fotovoltaïsche cellen (OPV) zijn een veelbelovende technologie voor kosteneffectieve hernieuwbare energiebronnen in de nabije toekomst te produceren. 1, 2, 3 enorme inspanningen geleverd om fotoactieve polymeren ontwikkelen en fabriceren hoge efficiëntievoorzieningen. Tot op heden zijn enkellaags OPV inrichtingen een> 10% vermogen omzettingsrendement (PCE) bereikt. Deze rendementen zijn behaald op laboratoriumschaal apparaten met behulp van spin-coating om de film te genereren, en de vertaling naar groter formaat schaal apparaten is beladen met aanzienlijke verlagingen van de PCE geweest. 4, 5 In de industrie, roll-to-roll (R2R) op basis van dunne film coating wordt gebruikt om foton actieve dunne films op geleidende substraten, dat is heel anders dan de typische laboratoriumschaal processen, met name op de snelheid van verwijdering van oplosmiddel te genereren. Dit is essentieel omdat de morfologie zijn kinetically opgesloten, door de wisselwerking tussen meerdere kinetische processen, zoals fasenscheiding, bestellen, oriëntatie en oplosmiddelverdamping. 6, 7 Dit kinetisch gevangen morfologie echter bepaalt in grote mate de prestatie van de zonnecel apparaten. Dus inzicht in de ontwikkeling van de morfologie tijdens het coatingproces van groot belang voor het manipuleren van de morfologie teneinde te optimaliseren.
De optimalisering van de morfologie vereist begrip van de kinetiek verband met de ordening van de gatengeleidende polymeer in oplossing als oplosmiddel wordt verwijderd; 8, 9 kwantificeren van de interactie van het polymeer met het fullereen gebaseerde elektronengeleider; 10, 11, 12 begrijpen van de rol van additieven in het definiëren van de morfologie; 13, 14, 15 en balanceren van de relatieve snelheden van verdamping van het oplosmiddel (en) en additieven. 16 Het is een uitdaging voor de ontwikkeling van de morfologie kwantitatief karakteriseren de actieve laag in een industrieel relevante omgeving geweest. Roll-to-roll processing is onderzocht voor de fabricage van grootschalige OPV apparaten. 4, 17 echter werden deze studies uitgevoerd in een productie omgeving waar grote hoeveelheden materialen worden gebruikt, effectief beperken studies commercieel verkrijgbare polymeren.
In dit artikel worden de technische details van het fabriceren van OPV apparaten met behulp van een mini-slot sterven coating systeem gedemonstreerd. Coatingparameters zoals film drogen kinetiek en laagdikte controle zijn van toepassing op grotere schaal processen, waardoor dit onderzoek direct gerelateerd aan industrie faer- voor. Daarnaast is een zeer kleine hoeveelheid materiaal in de matrijs minislot coating experiment, waardoor deze verwerking voor nieuwe synthetische materialen. In ontwerp, kan deze mini-sleufmatrijs coater op synchrotron eindstations worden gemonteerd, en daardoor scherende inval small angle X-ray scattering (GISAXS) en röntgendiffractie (GIXD) kan worden gebruikt voor reële tijd mogelijk over de ontwikkeling van de morfologie over een groot bereik van lengteschalen in verschillende stadia van de film droogproces onder verschillende procescondities. De verkregen informatie in deze studies kan direct worden overgedragen aan een industriële productie setting. De kleine hoeveelheid van de gebruikte materialen maakt een snelle screening van een groot aantal foto-actieve stoffen en mengsels daarvan onder verschillende procescondities.
Het halfkristallijne diketopyrrolopyrrool en quaterthiophene (DPPBT) gebaseerd lage band geconjugeerd polymeer gebruikt als model donormateriaal en (6,6) -fenyl C71-butyric methylester (PC 71 BM) gebruikt als elektronische acceptor. 18, 19 wordt getoond in eerdere studies die DPPBT: PC 71 BM blends vormen vergroot fasescheiding bij gebruik van chloroform als oplosmiddel. A chloroform: 1,2-dichloorbenzeen oplosmiddelmengsel kan de grootte van fasescheiding te verminderen en dus verhoging van de prestaties van het apparaat. De vorming morfologie tijdens het droogproces oplosmiddel onderzocht door in situ scherende inval röntgendiffractie en verstrooiing. Zonnecel apparaten vervaardigd met de mini-gleufmes coater toonden een gemiddelde van 5,2% PCE met de beste oplosmiddelmengsel omstandigheden 20 die gelijk is aan spin-coating gefabriceerde inrichtingen. De mini-sleuf sterven bekleder opent een nieuwe route naar zonnecel apparaten te fabriceren in een onderzoekslaboratorium instelling die een industrieel proces nabootst, het vullen van een gat in het voorspellen van de levensvatbaarheid van deze materialen in een industrieel relvant setting.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
1. Photon-actieve Blend Ink Voorbereiding
2. ITO en Wafer reiniging van substraten en Voorbereiding
3. actieve laag Printing
4. kathode-elektrode Deposition
5. Fotovoltaïsche Performance Measurement
6. Synchrotron X-ray Measurement
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Getoond in figuur 3 is de mini-gleufmes coatingsysteem. Het bestaat uit een coating machine, een spuitpomp en een centrale bedieningskast. De coating machine is het essentieel, dat is gemaakt van een sleuf matrijskop, een horizontaal translationele fase en een verticale translationele fase. De sleuf matrijzenhoofd wordt door een 2-D kantelen manipulator gemonteerd aan de basis van een verticale translatie motor. Figuur 10a toont de hoofdmachine printer z...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
De hier beschreven methode beoogt de ontwikkeling van een film synthesemethode die gemakkelijk kan worden opgeschaald industriële productie. Dunne film printen en synchrotron morfologie karakterisering zijn de meest kritische stappen met het protocol. In vorige lab schaal OPV onderzoek wordt spincoaten gebruikt als overheersende methode om dunne film inrichtingen te fabriceren. Echter, dit proces maakt gebruik van hoge centrifuge kracht om zich te verspreiden BHJ oplossing, die is heel anders dan de industriële basis ro...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
De auteurs hebben niets te onthullen.
Dit werk werd ondersteund door Polymer-Based Materials for Harvesting Solar Energy (PHaSE), een Energy Frontier Research Center gefinancierd door het U.S. Department of Energy, Office of Basic Energy Sciences onder subsidienummer DE-SC0001087 en het U.S. Office of Naval Research onder contract N00014-15-1-2244. Delen van dit onderzoek werden uitgevoerd op beamline 7.3.3 en 11.0.1.2 bij de Advanced Light Source, Lawrence Berkeley National Laboratory, die werd ondersteund door de DOE, Office of Science en Office of Basic Energy Sciences.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| PC71BM | Nano-C Inc | nano-c-PCBM-SF | |
| DPPBT | The University of Massachusetts | Custom Made | |
| PEDOT:PSS | Heraeus | P VP Al 4083 | |
| Mucasol Liquid Cleaner | Sigma-Aldrich | Z637181 | |
| Acetone | Sigma-Aldrich | 270725 | |
| Isopropyl Alcohol | BDH | BDH1133 | |
| Chloroform | Sigma-Aldrich | 372978 | |
| 1,2-dichlorobenzene | Sigma-Aldrich | 240664 | |
| Lithium fluoride | Sigma-Aldrich | 669431 | |
| Aluminum | Kurt Lesker | EVMAL50QXHD | |
| Glass vials | Fisher Scientific | 03-391-7B | |
| Ultrasonic Cleaner | Cleanosonic | Branson 2800 | |
| Oven | WVR | 414005-118 | |
| Cleaning Rack | Lawrence Berkeley National Lab | Custom Made | |
| Shadow Mask | Lawrence Berkeley National Lab | Custom Made | |
| UV-Ozone Cleaner | UVOCS INC | T16X16 OES | |
| Glove Box | MBraun | Custom Made | |
| Evaporator | MBraun | Custom Made | |
| Slot Die Coater | Jema Science Inc | Custom Made | |
| Solar Simulator | Newport | Class ABB | |
| Spin Coater | SCS Equipment | SCS G3 | |
| Hot Plate | Thermo Scientific | SP131015Q | |
| X-ray Measurement | Lawrence Berkeley National Lab | Beamline 7.3.3 |
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.