Printing Fabrication van Bulk Heterojunction Solar Cells en In Situ Morfologie karakterisering
29 januari 2017
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.
Het algemene doel van dit experiment is om de fabricage van organische dunnefilmzonnecellen door middel van printen te demonstreren en om de evolutie van de dunnefilmmorfologie tijdens het verdampen van oplosmiddelen te observeren. Deze methode helpt bij het beantwoorden van belangrijke vragen in functionele dunne films, zoals in dunnefilmzonnecellen en polymeercoatings. Het grote voordeel van deze techniek is dat de industriële verwerking en synchrotrontechnieken goed worden samengevoegd om het fundamentele aspect van de materiaalwetenschap te demonstreren.
De implicatie van deze methode helpt om de morfologische evolutie van aangrenzende dunne films te begrijpen, wat cruciaal is voor het bepalen van de uiteindelijke morfologie en de prestaties van het apparaat. Dus deze techniek kan ons informatie geven over de morfologie van dunnefilmorganische zonnecellen. Het zou ons ook informatie kunnen geven over andere materialen, bijvoorbeeld lichtgevende dioden of functionele dunnefilmmaterialen.
Om de substraat te laden, plaats de voorbereide PEDOT:PSS gecoate indium-tin-oxide substraat op de basisplaat van de mini-slot die coater. Gebruik de lineaire manipulator onder de substraatplaat om de positie van het substraat aan te passen zodat het recht onder de printerkop komt. Pas de kop kantelen aan met behulp van de tweedimensionale kantelmanipulator die de printkop vasthoudt.
Zorg ervoor dat de kop verticaal op het geladen substraat staat. Stem de afstand van de kop tot het substraat af op nul. De verticale motor is gekoppeld aan een krachtsensor.
Wanneer de printkop zweeft, wordt een constante krachtwaarde verkregen uit het gewicht van de printkop en de kantelmanipulaties van de assen. Zodra de printerkop het substraat raakt, zal de waarde afnemen, waardoor de nulpositie wordt gemarkeerd. Stel een kop-tot-substraat waarde in om het experiment uit te voeren.
Stel in dit experiment de kop-tot-substraatafstand in op 100 micrometer. Pas vervolgens de motor van de lineaire translatietrap aan die zal worden gebruikt om te printen. Stel de motorpositie van 10 millimeter in als startpunt en de motorpositie van 80 millimeter als eindpunt.
Stel de printsnelheid in op 10 millimeter per seconde door de motorbesturingssoftware-interface te gebruiken. Stel de motorsnelheidsversnelling in op 100 meter per seconde. Laad de OPV-inkt in een enkele milliliter spuit en monteer de spuit op de spuitpomp die is aangesloten op de slot die printer.
Stel de printparameters in de besturingssoftware in. Om het printexperiment te starten, typt u de startpositie in het positievenster in de besturingssoftware. Deze actie zal het substraat naar het startpunt verplaatsen.
Begin met het pompen van de oplossing in de slot die kop door op start te klikken in de spuitpompsoftware. Start snel de translatiemotor wanneer de oplossing uit de printkop begint te komen. Het substraat zal naar de eindpositie bewegen.
Stop de spuitpomp en til de printkop op met behulp van de verticale motor. Zet de vacuüm uit en verwijder het substraat van de basisplaat. Laad het gedrukte substraat in een vacuümoven voor drie tot vijf uur om resterend oplosmiddel te verwijderen.
Plaats vervolgens een petrischaal onder de printkop. Pomp 10 milliliter chloroform in de printkop om deze te reinigen. Verzamel de verontreinigde chloroformoplossing met de petrischaal.
Stel een heliumbox in om luchtverstrooiing in de röntgenmeting te onderdrukken. Monteer de mini-slot die coater in de heliumbox. Monteer een optische interferometer op de drukmachine om de dikte verandering tijdens het verdampen van het oplosmiddel te volgen.
Plaats de PEDOT:PSS gecoate wafer substraat op de substraathouder van de printer en pas de kop en substraatpositie aan zoals eerder. Spuit de heliumbox leeg om de lucht te verwijderen. Het zuurstofniveau moet minder dan 0,3% zijn, wat kan worden gecontroleerd door een zuurstofsensor.
Lijn het substraat uit op de positie waar de röntgenstraling op het substraat valt en stel de invalshoek in, die in dit geval 0,16 graden is. Stel de röntgenblootstellingstijd in de data-acquisitiemethode in. Gebruik hierbij twee seconden als blootstellingstijd, gevolgd door drie seconden vertragingstijd om serverstraalbeschadiging te voorkomen.
Zo is elke experimentele periode vijf seconden. Voer een continue wachtrij van 100 herhalingen uit en neem 100 foto's. Noem het experiment en kies het gegevenspad om de experimentele bestanden op te slaan.
Verplaats het substraat naar de startpositie door de startpositie in de motorbesturingssoftware in te voeren. Start de röntgenluik en de detector zal continu diffractie- en verstrooiingssignalen registreren. Start vervolgens de spuitpomp om oplossing in de printkop te pompen.
Wanneer de oplossing uit de printkop begint te komen, zoals gemonitord door een bewakingscamera, start u snel het printproces. Wanneer de voorgekozen meetpositie wordt bereikt, zal de tweedimensionale detector het verstrooiingssignaal van de oplossing vastleggen. De filmdikte wordt bewaakt door een interferometer.
Zo wordt de evolutie van de dunnefilmmorfologie opgenomen. Til de printerkop op en reinig de kop wanneer het experiment is voltooid. Hier is een ITO-substraat gecoat met geconjugeerde polymeer PCBM-blends.
De film is visueel vrij glad. Het begin en einde van de gecoate film zijn niet altijd uniform vanwege de gevormde meniscus en het drogen vanaf de randen. Het vers gecoate substraat wordt uiteindelijk geladen in schaduwmaskers.
Het masker wordt geladen in een verdamper om de kathode dunne laag af te zetten. Hier is een voltooide apparaat na de kathodelaag afzetting getoond. De apparaatprestaties worden gemeten met behulp van een zonnesimulator onder 100 milliwatt per vierkante centimeter.
Hier is een representatieve stroom-spanningscurve van een mini-slot die gecoat apparaat. Een gemiddelde energieconversie-efficiëntie van 5,2% wordt bereikt voor slot die gecoate apparaten, wat dichtbij ligt aan dat bereikt door spincoating. Deze figuur vertegenwoordigt een typisch in situ grazende invalshoek kleine hoek verstrooiingsexperiment tijdens het drogen van oplosmiddelen.
De tijdevolutie is kleur gecodeerd. In het vroege stadium van het drogen waar een overmaat aan oplosmiddel aan
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Dit artikel presenteert een protocol voor het vervaardigen van organische dunnefilm-zonnecellen met behulp van een mini-slot die coater. Daarnaast worden in-line structuurkarakteriseringen besproken waarbij gebruik wordt gemaakt van synchrotron-verstrooiingstechnieken.
Belangrijkste componenten van de studie
Wetenschappelijk vakgebied
- Materiaalkunde
- Dunnefilmtechnologie
- Zonne-energie
Achtergrond
- Organische dunne-film zonnecellen zijn van cruciaal belang voor toepassingen van hernieuwbare energie.
- Het begrijpen van de morfologie van dunne films is essentieel voor het optimaliseren van de prestaties van het apparaat.
- Oplosmiddelverdamping speelt een belangrijke rol bij de evolutie van de morfologie.
- Synchrotrontechnieken bieden geavanceerde karakteriseringsmogelijkheden.
Doel van de studie
- Om de fabricage van organische dunne-film zonnecellen via printen te demonstreren.
- Om de evolutie van de dunne-film morfologie tijdens solventverdamping te observeren.
- Om industriële verwerking te combineren met synchrotrontechnieken voor materiaalkundige inzichten.
Gebruikte methoden
- Mini-slot die coating voor de fabricage van films.
- In-line structurele karakteriseringen met behulp van synchrotronverstrooiing.
- Observatie van de morfologische evolutie tijdens het fabricageproces.
- Analyse van de implicaties voor de prestaties van het device.
Belangrijkste resultaten
- De techniek biedt inzicht in de morfologie van organische fotovoltaïsche dunne films.
- Het demonstreert de relatie tussen de verwerkingscondities en de uiteindelijke morfologie.
- De bevindingen kunnen van toepassing zijn op andere materialen, zoals lichtemitterende diodes.
- De methode vergroot het begrip van functionele dunne filmmaterialen.
Conclusies
- Dit protocol slaat een brug tussen industriële praktijken en geavanceerde karakteriseringstechnieken.
- Het begrijpen van de evolutie van de morfologie is essentieel voor het optimaliseren van de prestaties van zonnecellen.
- Deze aanpak kan toekomstig onderzoek naar diverse toepassingen van dunne films informeren.
Veelgestelde vragen
Relevantie voor de Industrie
Dit protocol slaat een brug tussen organisch fotavoltaïsch onderzoek op laboratoriumschaal en industriële productie door real-time, in situ morfologische karakterisering tijdens slot die coating mogelijk te maken. Het ondersteunt de voorspellende betrouwbaarheid bij de ontwikkeling van dunne-film zonnecellen door verwerkingscondities te koppelen aan de uiteindelijke prestaties van het apparaat. De aanpak faciliteert translationele continuïteit van ontdekking naar opschaling door kwantitatieve structurele inzichten te bieden onder industrieel relevante fabricagecondities.
Strategische toepassingen in biofarmaceutische R&D
Vroege ontdekking en targetvalidatie
- Wetenschappelijke waarde: Maakt het mogelijk om structuur-eigenschapsrelaties te onderzoeken in functionele dunne films die relevant zijn voor bioactieve coatings en implanteerbare apparaten.
- Operationele waarde: Biedt een reproduceerbaar platform om te evalueren hoe de kinetiek van oplosmiddelverdamping de fasescheiding op nanoschaal in polymeergebaseerde systemen beïnvloedt.
Screening & Assayontwikkeling
- Wetenschappelijke waarde: Genereert kwantitatieve, tijdopgeloste verstrooiingsgegevens die correlatie mogelijk maken tussen de evolutie van filmdikte en morfologie en de procesparameters.
- Operationele waarde: Ondersteunt de standaardisatie van assays door in situ röntgenverstrooiing te synchroniseren met interferometrische diktemeting tijdens slot die coating.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Wetenschappelijke waarde: Biedt mechanistische risicovermindering door de kinetiek van polymeerkristallisatie en fasescheiding tijdens het drogen van het oplosmiddel te onthullen.
- Operationele waarde: Maakt risico-gecorrigeerde beslissingen over verdere ontwikkeling mogelijk door in situ structurele feedback te leveren die de uiteindelijke filmmorfologie en functionele prestaties voorspelt.
Integratie van Pipeline & Workflow
De methode integreert in het ontdekkingscontinuüm door hypothesegestuurde evaluatie van dunne-filmvormingsprocessen mogelijk te maken, ondersteuning te bieden bij de identificatie van leadverbindingen via correlaties tussen morfologie en prestaties, en preklinische translatie te informeren via voorspellende structurele analyses.
- Discovery Biology: Ondersteunt hypothesetoetsing over hoe verwerkingscondities de nanoschaalorganisatie in actieve lagen van organische elektronische apparaten beïnvloeden.
- Screening: Zorgt voor assay-gereedheid door gesynchroniseerde, real-time monitoring van filmdikte en verstrooiingspatronen tijdens solventverdamping.
- Analytics: Levert kwantitatieve metingen van afhankelijke variabelen (bijv. positie van de verstrooiingspiek, evolutie van de intensiteit) die vergelijking van verwerkingscondities en structurele resultaten mogelijk maken.
- Translationeel onderzoek: Verbindt fundamentele ontdekkingen met preklinische continuïteit door structuur-verwerkingsrelaties vast te stellen die bijdragen aan opschaling en apparaatoptimalisatie.
- Enterprise Reuse: Vestigt een herbruikbaar platform voor het evalueren van meerdere organische halfgeleidersystemen onder gecontroleerde, industrieel relevante coatingcondities.
Operationele en bedrijfsmatige impact
- Wetenschappelijke waarde: Verhoogt het voorspellende vertrouwen door de evolutiepaden van de morfologie te onthullen die de uiteindelijke efficiëntie van apparaten in organische fotovoltaïca bepalen.
- Operationele waarde: Garandeert reproduceerbaarheid en standaardisatie door nauwkeurige controle van de afstand tussen printkop en substraat, de printsnelheid en de oplosmiddeltoevoer tijdens in situ karakterisering.
- Strategische waarde: Verbetert go/no-go-beslissingen door in situ structurele uitlezingen te koppelen aan ex situ apparaatprestaties, waardoor het risico op fouten in een late fase bij dunne-filmtechnologieën wordt verminderd.
- Impact op portfolio: Maakt risico-gecorrigeerde prioritering van materiaalsamenstellingen mogelijk op basis van realtime morfologische stabiliteit en fase-separatiekinetiek.
Overwegingen bij Implementatie
- Vereist expertise in slot die-coating, synchrotron-gebaseerde verstrooiing en dunne-filmfotovoltaïca.
- Vereist toegang tot een mini-slot die-coater geïntegreerd met een met helium gespoelde röntgenstraalbuis en optische interferometrie.
- Noodzaak tot cross-team standaardisatie tussen coating-engineers en karakteriseringswetenschappers voor gesynchroniseerde data-acquisitie.
- Omvat aanpassingen voor verschillende oplosmiddelsystemen en polymeer:acceptor-mengsels om de morfologie-evolutie te optimaliseren.
- Beperkt door de noodzaak van vacuümdrogen en een inerte omgeving om luchtverstrooiing te onderdrukken en de meetnauwkeurigheid te waarborgen.
