Name: Drukowanie, produkcja masowych heterozłączowych ogniw słonecznych i charakterystyka morfologii in situ (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-01-29T14:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 32 s
Description: Poznaj metodę drukowania organicznych ogniw słonecznych cienkowarstwowych z obserwacją ewolucji morfologii podczas parowania rozpuszczalnika. Technika łączy przemysłowe przetwórstwo z zaawansowaną charakterystyką synchrotronową.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

playerTrialDesktop

Ta praca była wspierana przez Polymer-Based Materials for Harvesting Solar Energy (PHaSE), Energy Frontier Research Center finansowane przez Departament Energii Stanów Zjednoczonych, Biuro Podstawowych Nauk Energetycznych pod numerem DE-SC0001087 oraz U.S. Office of Naval Research na podstawie kontraktu N00014-15-1-2244. Część tych badań została przeprowadzona na liniach badawczych 7.3.3 i 11.0.1.2 w Advanced Light Source, Lawrence Berkeley National Laboratory, które było wspierane przez DOE, Office of Science i Office of Basic Energy Sciences.

1. Przygotowanie atramentu mieszanego aktywnego fotonem
<ol>
	<li>Odważyć 10 mg polimeru DPPBT i 10 mg materiału PC71BM (struktury chemiczne pokazane na rysunku 1). Wymieszać je w fiolce o pojemności 4 ml.</li>
	<li>Do mieszaniny dodać 1,5 ml chloroformu i 75 μl 1,2-dichlorobenzenu.</li>
	<li>Umieścić mały mieszadło w fiolce, zamknąć fiolkę nakrętką z politetrafluoroetylenu (PTFE) i przenieść fiolkę na płytę grzejną. Mieszać przy ~400 obr./min i podgrzewać w temperaturze ~50 °C przez noc przed użyciem.</li>
</ol>
2. ITO i przygotowanie podłoża waflowego
<ol>
	<li>Załaduj wstępnie wzorzyste podłoże ze szkła z tlenku indu i cyny (ITO) (1 cal na 3 cale, z częściowo usuniętym ITO) lub wafli krzemowej do teflonowego stojaka do czyszczenia i umieść stojak w szklanym pojemniku (rysunek 2). Dodać rozcieńczony roztwór detergentu (300 ml, 1% uniwersalny roztwór detergentu) do szklanego pojemnika i włożyć szklany pojemnik do sonikatora i sonikować przez 15 minut.</li>
	<li>Usuń detergent i kilkakrotnie spłucz szklankę ITO wodą dejonizowaną (DI). Następnie dodaj 300 ml wody DI do pojemnika i włóż szklany pojemnik do sonikatora na kolejne 15 minut.</li>
	<li>Usuń wodę z pojemnika. Dodać 300 ml acetonu do pojemnika i sonikować przez 15 minut.</li>
	<li>Usuń aceton. Dodać 300 ml 2-izopranolu do szklanego pojemnika, a następnie sonikować przez 15 minut.</li>
	<li>Wyjmij ruszt do czyszczenia do piekarnika. Ustaw temperaturę piekarnika na 100 °C i odczekaj 3-5 godzin, aż szklanka ITO całkowicie wyschnie.</li>
	<li>Wyjmij oczyszczone podłoża. Przenieś je do środka czyszczącego UV-ozone lub środka czyszczącego plazmą tlenową. Użyj ozonu UV o dużej mocy lub plazmy, aby wyczyścić je przez ~15 minut zgodnie z protokołem producenta.</li>
	<li>Umieścić oczyszczone podłoże na powlekarce wirowej, dodać 150 μl roztworu sulfonianu poli(3,4-etylenodioksytiofenu) polistyrenianu (PEDOT:PSS) na oczyszczone podłoże i wirować z prędkością 3,000 obr./min, aby pokryć cienką warstwę PEDOT:PSS (PEDOT:PSS 4083) o grubości ~30 nm na szkło ITO lub wafle krzemowe.</li>
	<li>Zdejmij podłoża pokryte wirówką. Świeżo pokryte podłoża przenieść na płytę grzewczą i wyżarzać w temperaturze 150 °C przez 15 minut.</li>
</ol>
3. Drukowanie aktywnych warstw
<ol>
	<li>Załaduj podłoże. Umieść podłoże ITO pokryte PEDOT:PSS na płycie podstawy mini powlekarki do gniazd. Włącz pompę próżniową, która jest podłączona do uchwytu próżniowego powlekarki matrycowej szczelinowej, aby mocno przytrzymać podłoże. (Patrz rysunek 3, aby zlokalizować różne komponenty.)</li>
	<li>Dostosuj położenie podłoża, aby umieścić je tuż pod głowicą drukarki. Można to zrobić za pomocą manipulatora liniowego znajdującego się pod płytą podłoża.</li>
	<li>Wyreguluj nachylenie głowicy za pomocą manipulatora przechylania 2D, który przytrzymuje głowicę drukującą. Upewnij się, że głowica stoi pionowo na załadowanym podłożu. Należy pamiętać, że w tym procesie głowicę drukującą można opuścić blisko podłoża. Użyj szczeliny między głowicą drukującą a podłożem, aby pokazać, czy głowica jest przechylona, czy nie. Będzie to niezwykle przydatne, gdy używane jest podłoże waflowe, ponieważ pojawi się niewielki obraz głowicy drukującej i znacznie łatwiej będzie sprawdzić nachylenie.</li>
	<li>Dostosuj odległość od głowicy do podłoża do zera. Silnik pionowy jest sprzężony z czujnikiem siły. Gdy głowica drukująca unosi się w ruchu, uzyskany zostanie stały odczyt siły (z masy głowicy drukującej i zespołów manipulatora przechylanego). Gdy głowica drukarki dotknie podłoża, odczyt zmniejszy się, oznaczając pozycję zerową. Patrz rysunek 4, aby zapoznać się z ustawieniem odległości kroku. Użyj trybu impuls do strojenia odległości. 
	UWAGA: Pionowa płyta translacyjna manipulatora jest połączona z jego podstawą za pomocą sprężyn, a stała sprężystości zmienia się nieznacznie. W związku z tym niewielkie zmiany w czujniku siły są nieuniknione podczas eksperymentu.</li>
	<li>Ustaw wartość head-to-substrate, aby uruchomić eksperyment. W tym eksperymencie ustaw odstęp między głowicą a podłożem na 100 μm.</li>
	<li>Dostosuj liniowy silnik etapu translacyjnego, który będzie używany do drukowania. Znajdź punkt początkowy i końcowy. Zapisz te wartości. Odległość przesuwu silnika liniowego wynosi 100 mm. Tutaj ustaw pozycję silnika 10 mm jako punkt początkowy i pozycję silnika 80 mm jako punkt końcowy.</li>
	<li>Ustaw prędkość drukowania na 10 mm/s za pomocą interfejsu oprogramowania sterującego silnikiem (Rysunek 4b). Ustaw prędkość przyspieszenia silnika na 100 m/s.
	<ol>
		<li>Jeśli silnik nie działa prawidłowo lub w oprogramowaniu występuje błąd, uruchom ponownie oprogramowanie i kliknij "włącz", a następnie "home" w interfejsie oprogramowania. Należy pamiętać, że podczas procesu drukowania głowica drukująca pozostaje nieruchoma, a podłoże porusza się, aby dozować roztwór i naśladować proces drukowania przemysłowego.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Załaduj roztwór DPPBT:PCBM (temperatura pokojowa) do strzykawki o pojemności 1 ml i zamontuj strzykawkę na pompie strzykawkowej, która jest podłączona do drukarki matrycowej szczelinowej. Ustaw parametry drukowania w oprogramowaniu sterującym (średnica strzykawki i prędkość podawania roztworu, w tym przypadku 0,3 ml/min).</li>
	<li>Rozpocznij eksperyment z drukowaniem.
	<ol>
		<li>Przesuń podłoże do punktu początkowego, wpisując pozycję punktu początkowego w oknie pozycji w oprogramowaniu sterującym. Szczegółowe informacje można znaleźć na rysunku 4c.</li>
		<li>Rozpocznij pompowanie roztworu do szczelinowej głowicy gwinciarskiej, klikając przycisk start w oprogramowaniu pompy strzykawkowej. Alternatywnie można ręcznie uruchomić pompę strzykawkową. Do każdej powłoki zostanie użyte około ~100 μl roztworu. Zwykle użyj roztworu 300 μl do pierwszego drukowania i użyj roztworu ~100 μl do wielokrotnego drukowania.</li>
		<li>Szybko uruchom silnik translacyjny, gdy roztwór zacznie wypływać z głowicy drukującej, a podłoże przesunie się do pozycji końcowej. Należy pamiętać, że jest to kluczowy krok. Wstępnie załaduj pozycję końcową silnika translacyjnego do okna pozycji i kliknij Enter, aby rozpocząć ruch silnika.</li>
		<li>Zatrzymaj pompę strzykawkową i podnieś głowicę drukującą za pomocą silnika pionowego. Wyłącz odkurzacz i zdejmij podłoże z płyty podstawy. Należy pamiętać, że objętość martwa dla tej głowicy drukującej wynosi 250 μl, a zatem napełnienie za pierwszym razem wymaga ponad 250 μl roztworu.</li>
		<li>Załaduj wydrukowane podłoże do pieca próżniowego na 3-5 godzin, aby usunąć resztki rozpuszczalnika.</li>
		<li>Umieść szalkę Petriego pod głowicą drukującą. Wpompuj 10 ml chloroformu do głowicy drukującej, aby ją oczyścić. Zebrać zanieczyszczony roztwór chloroformu za pomocą szalki Petriego. Użyj bawełnianych wacików do czyszczenia głowicy drukującej podczas pompowania roztworu czyszczącego. Po każdym cyklu powlekania wyczyść głowicę drukującą, zwłaszcza gdy używany jest inny roztwór. 
		UWAGA: Roztwór DPPBT:PCBM ma ciemnozielony kolor. Po zakończeniu czyszczenia nie widać koloru rozpuszczalnika chloroformowego.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
4. Osadzanie elektrody katodowej
<ol>
	<li>Załaduj podłoże pokryte warstwą aktywną na maski cieni (Rysunek 5) i zamontuj maskę w komorze parowania.</li>
	<li>Umieść dwie łodzie do odparowywania termicznego między kołkami elektrod (Rysunek 6a). Załaduj jedną łódź solą LiF (ledwo pokrywającą łódź, ~0,2 g), a jedną łódź metalem aluminiowym (4 granulki).</li>
	<li>Zamknij komorę parowania i przepompuj komorę parowania w dół do około 2 x 10-6 Torr.</li>
	<li>Ustaw komorę tak, aby nakładała 1 nm LiF, a następnie 100 nm aluminium. W obecnym przypadku użyj 20% mocy do osadzania LiF i użyj 26% mocy do osadzania Al. Na rysunku 6b przedstawiono interfejs sterowania parownikiem systemu użytego w tym badaniu.</li>
	<li>Zatrzymać pompy ewakuacyjne i napełnić komorę gazowym azotem. Gdy ciśnienie powróci do ciśnienia atmosferycznego, wyjmij podłoża.</li>
</ol>
5. Pomiar wydajności fotowoltaiki
<ol>
	<li>Przygotuj szkiełko podstawowe o szerokości połowy szkła ITO, które jest używane do produkcji urządzeń. Wykonaj tę czynność w schowku na rękawiczki. Wklej epoksydowy z jednej strony szklanego podłoża i przykryj obszar urządzenia za pomocą szkiełek szklanych pokrytych klejem epoksydowym (patrz Rysunek 11 dla przykładowego urządzenia). Po utwardzeniu żywicy epoksydowej urządzenie zostanie w pełni uszczelnione.</li>
	<li>Uruchom lampę symulacji słonecznej i ustaw na promieniowanie AM 1.5 o mocy 100 mW/cm2. Ustabilizuj lampę na około 15 minut przed pomiarem. Na rysunku 7 przedstawiono układ pomiarowy PV zastosowany w tym badaniu.</li>
	<li>Zamontuj urządzenie pod symulatorem słonecznym w sugerowanej odległości instrumentu. Podłącz anodę i katodę do obwodu pomiarowego. Nagrać krzywą prąd-napięcie za pomocą multimetru elektrycznego zgodnie z protokołem producenta.</li>
	<li>Określ wydajność urządzenia w następujący sposób: 
	Jsc: prąd zwarciowy, maksymalny prąd, jaki może dostarczyć urządzenie z ogniwem słonecznym; 
	Voc: napięcie obwodu otwartego, maksymalne napięcie, jakie może dostarczyć urządzenie z ogniwem słonecznym; 
	FF: współczynnik wypełnienia, maksymalna powierzchnia w krzywej I-V podzielona przez Jsc* Voc; 
	PCE: sprawność konwersji mocy, Jsc* Voc*FF/(100mW/cm2).</li>
</ol>
6. Synchrotronowy pomiar rentgenowski
<ol>
	<li>Skonfiguruj skrzynkę z helem, aby stłumić rozpraszanie powietrza podczas pomiaru rentgenowskiego. Zamontuj powlekarkę matrycową z mini-szczelinami w skrzynce z helem. Na rysunku 8 pokazano konfigurację eksperymentów dyfrakcji promieniowania rentgenowskiego z udziałem wypasu przy użyciu helu w Advanced Light Source.</li>
	<li>Zamontuj interferometr optyczny na maszynie drukarskiej, aby monitorować zmianę grubości podczas parowania rozpuszczalnika. W tym eksperymencie użyj modelu UVX (np. Filmetrix F20). Materiały użyte w tym eksperymencie mają silną absorpcję światła o długości fali 300-900 nm.
	<ol>
		<li>Użyj lampy źródłowej lub interferometru optycznego, która zapobiega absorpcji materiału. W tym eksperymencie użyj lampy o długości fali 1,100-1,700 nm. Wstępnie skalibruj przyrząd przed eksperymentem, postępując zgodnie z jego procedurami operacyjnymi.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Umieść podłoże waflowe powlekane PEDOT:PSS na uchwycie podłoża drukarki i wyreguluj pozycję głowicy i podłoża zgodnie z krokami 3.2-3.5. Włącz pompę próżniową i upewnij się, że podłoże waflowe mocno przylega do uchwytu podłoża.</li>
	<li>Wyczyść pojemnik z helem, aby usunąć powietrze. Należy pamiętać, że poziom tlenu powinien być mniejszy niż 0,3 V%, co można monitorować za pomocą czujnika tlenu.</li>
	<li>Wyrównaj podłoże w miejscu, w którym promieniowanie rentgenowskie pada na podłoże (pozycja końcowa w druku) i ustaw kąt padania, w tym przypadku 0,16°. Wyrównaj zgodnie z protokołem linii belki.</li>
	<li>Ustaw czas ekspozycji promieniowania rentgenowskiego i metodę pozyskiwania danych. W tym przypadku użyj 2 sekund jako czasu ekspozycji, a następnie 3 sekundy opóźnienia (aby uniknąć uszkodzenia wiązki serwera). Stąd każdy okres eksperymentu będzie trwał 5 sekund. Wykonuj ciągłą kolejkę 100 powtórzeń; W ten sposób zrób 100 zdjęć.</li>
	<li>Nazwij eksperyment i wybierz ścieżkę danych, aby zapisać pliki eksperymentalne. Na rysunku 9 pokazano interfejs użytkownika Advanced Light Source beamline 7.3.3, w którym można łatwo zlokalizować wyżej wymienione ustawienia.</li>
	<li>Przesuń podłoże do pozycji wyjściowej, wprowadzając pozycję początkową w oprogramowaniu sterującym silnikiem. Uruchom migawkę rentgenowską, a detektor będzie w sposób ciągły rejestrował sygnały dyfrakcji/rozpraszania.</li>
	<li>Uruchom pompę strzykawkową, aby podać roztwór do głowicy drukującej. Gdy roztwór zacznie wysuwać się z głowicy drukującej (monitorowanej przez kamerę monitorującą), szybko rozpocznij proces drukowania. 
	UWAGA: Po osiągnięciu wstępnie wybranej pozycji pomiarowej detektor 2D przechwyci sygnał rozpraszania z roztworu. Grubość warstwy będzie monitorowana za pomocą interferometru. W ten sposób zostanie zarejestrowana ewolucja morfologii cienkiej warstwy.</li>
	<li>Podnieś głowicę drukarki i wyczyść ją po zakończeniu eksperymentu.</li>
</ol>

<ol><li>Brabec, C. J., et al. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.200903697/abstract">Polymer-Fullerene Bulk-Heterojunction Solar Cells.</a> Adv. Mater. 22 (34), 3839-3856 (2010).</li>
<li>Thompson, B. C., Fréchet, J. M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Polymer-Fullerene+Composite+Solar+Cells%5BTitle%5D)+AND+%22Angew.+Chem.+Int.+Ed%22%5BJournal%5D)">Polymer-Fullerene Composite Solar Cells.</a> Angew. Chem. Int. Ed. 47 (1), 58-77 (2008).</li>
<li>Günes, S., Neugebauer, H., Sariciftci, N. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Conjugated+Polymer-Based+Organic+Solar+Cells%5BTitle%5D)+AND+%22Chem.+Rev%22%5BJournal%5D)">Conjugated Polymer-Based Organic Solar Cells.</a> Chem. Rev. 107 (4), 1324-1338 (2007).</li>
<li>Krebs, F. C., et al. <a target="_blank" href="http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2011/ee/c1ee01891d#!divAbstract">The OE-A OPV demonstrator anno domini 2011.</a> Energy Environ. Sci. 4 (10), 4116(2011).</li>
<li>Krebs, F. C., Tromholt, T., Jørgensen, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Upscaling+of+polymer+solar+cell+fabrication+using+full+roll-to-roll+processing%5BTitle%5D)+AND+%22Nanoscale%22%5BJournal%5D)">Upscaling of polymer solar cell fabrication using full roll-to-roll processing.</a> Nanoscale. 2 (6), 873(2010).</li>
<li>Liu, F., Gu, Y., Jung, J. W., Jo, W. H., Russell, T. P. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/polb.23063/abstract">On the morphology of polymer-based photovoltaics.</a> J. Polym. Sci. Polym. Phy. 50 (15), 1018-1044 (2012).</li>
<li>Liu, F., et al. <a target="_blank" href="https://www.researchgate.net/publication/259095581_Characterization_of_the_morphology_of_solution-processed_bulk_heterojunction_organic_photovoltaics">Characterization of the morphology of solution-processed bulk heterojunction organic photovoltaics.</a> Prog. Polym. Sci. 38 (12), 1990-2052 (2013).</li>
<li>Schmidt-Hansberg, B., et al. <a target="_blank" href="http://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.3270402">In situ monitoring the drying kinetics of knife coated polymer-fullerene films for organic solar cells.</a> J. appl. phys. 106 (12), 124501(2009).</li>
<li>Pearson, A. J., Wang, T., Lidzey, D. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+role+of+dynamic+measurements+in+correlating+structure+with+optoelectronic+properties+in+polymer+fullerene+bulk-heterojunction+solar+cells%5BTitle%5D)+AND+%22Rep.+Prog.+Phys%22%5BJournal%5D)">The role of dynamic measurements in correlating structure with optoelectronic properties in polymer fullerene bulk-heterojunction solar cells.</a> Rep. Prog. Phys. 76 (2), 022501(2013).</li>
<li>Treat, N. D., et al. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.201000023/abstract">Interdiffusion of PCBM and P3HT Reveals Miscibility in a Photovoltaically Active Blend.</a> Adv. Energy Mater. 1 (1), 82-89 (2010).</li>
<li>Collins, B. A., et al. <a target="_blank" href="http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jz101276h">Molecular Miscibility of Polymer-Fullerene Blends.</a> J. Phys. Chem. Lett. 1 (21), 3160-3166 (2010).</li>
<li>Chen, D., Liu, F., Wang, C., Nakahara, A., Russell, T. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Bulk+Heterojunction+Photovoltaic+Active+Layers+via+Bilayer+Interdiffusion%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Lett%22%5BJournal%5D)">Bulk Heterojunction Photovoltaic Active Layers via Bilayer Interdiffusion.</a> Nano Lett. 11 (5), 2071-2078 (2011).</li>
<li>Gu, Y., Wang, C., Russell, T. P. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.201100726/abstract">Multi-Length-Scale Morphologies in PCPDTBT/PCBM Bulk-Heterojunction Solar Cells.</a> Adv. Energy Mater. 2 (6), 683-690 (2012).</li>
<li>Perez, L. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Solvent+Additive+Effects+on+Small+Molecule+Crystallization+in+Bulk+Heterojunction+Solar+Cells+Probed+During+Spin+Casting%5BTitle%5D)+AND+%22Adv.+Mater%22%5BJournal%5D)">Solvent Additive Effects on Small Molecule Crystallization in Bulk Heterojunction Solar Cells Probed During Spin Casting.</a> Adv. Mater. 25 (44), 6380-6384 (2013).</li>
<li>Lee, J. K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Processing+Additives+for+Improved+Efficiency+from+Bulk+Heterojunction+Solar+Cells%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Am.+Chem.+Soc%22%5BJournal%5D)">Processing Additives for Improved Efficiency from Bulk Heterojunction Solar Cells.</a> J. Am. Chem. Soc. 130 (11), 3619-3623 (2008).</li>
<li>Shin, N., Richter, L. J., Herzing, A. A., Kline, R. J., DeLongchamp, D. M. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.201201027/abstract">Effect of Processing Additives on the Solidification of Blade-Coated Polymer/Fullerene Blend Films via In-Situ Structure Measurements.</a> Adv. Energy Mater. 3 (7), 938-948 (2013).</li>
<li>Sødergaard, R., Hösel, M., Angmo, D., Larsen-Olsen, T. T., Krebs, F. C. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369702112700196">Roll-to-roll fabrication of polymer solar cells.</a> Mater. Today. 15 (1-2), 36-49 (2012).</li>
<li>Liu, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Efficient+Polymer+Solar+Cells+Based+on+a+Low+Bandgap+Semi-crystalline+DPP+Polymer-PCBM+Blends%5BTitle%5D)+AND+%22Adv.+Mater%22%5BJournal%5D)">Efficient Polymer Solar Cells Based on a Low Bandgap Semi-crystalline DPP Polymer-PCBM Blends.</a> Adv. Mater. 24 (29), 3947-3951 (2012).</li>
<li>Liu, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Relating+Chemical+Structure+to+Device+Performance+via+Morphology+Control+in+Diketopyrrolopyrrole-Based+Low+Band+Gap+Polymers%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Am.+Chem.+Soc%22%5BJournal%5D)">Relating Chemical Structure to Device Performance via Morphology Control in Diketopyrrolopyrrole-Based Low Band Gap Polymers.</a> J. Am. Chem. Soc. 135 (51), 19248-19259 (2013).</li>
<li>Liu, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fast+Printing+and+In+Situ+Morphology+Observation+of+Organic+Photovoltaics+Using+Slot-Die+Coating%5BTitle%5D)+AND+%22Adv.+Mater%22%5BJournal%5D)">Fast Printing and In Situ Morphology Observation of Organic Photovoltaics Using Slot-Die Coating.</a> Adv. Mater. 27 (5), 886-891 (2015).</li>
</ol>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Opisana tutaj metoda koncentruje się na opracowaniu metody przygotowania folii, którą można łatwo zwiększyć w produkcji przemysłowej. Druk cienkowarstwowy i charakterystyka morfologii synchrotronowej są najbardziej krytycznymi etapami protokołu. W poprzednich badaniach OPV na skalę laboratoryjną, powlekanie wirowe jest stosowane jako dominująca metoda wytwarzania urządzeń cienkowarstwowych. Jednak proces ten wykorzystuje dużą siłę wirówki do rozprowadzania roztworu BHJ, co znacznie różni się od przemysłowej produkcji typ...

Organiczne ogniwa fotowoltaiczne (OPV) są obiecującą technologią do produkcji opłacalnych odnawialnych źródeł energii w najbliższej przyszłości. 1,2,3 Podjęto ogromne wysiłki w celu opracowania fotoaktywnych polimerów i wyprodukowania urządzeń o wysokiej wydajności. Do tej pory jednowarstwowe urządzenia OPV osiągały sprawność konwersji energii (PCE) na poziomie >10%. Wydajność ta została osiągnięta w urządzeniach na skalę laboratoryjną wykorzystujących powlekanie wirowe do generowania filmu, a przełożenie na urządzenia o większych rozmiarach było obarczone znacznym zmniejszeniem PCE. 4,5 W przemyśle, cienkowarstwowe powlekanie oparte na roll-to-roll (R2R) jest używane do generowania aktywnych fotonów cienkich warstw na przewodzących podłożach, co znacznie różni się od typowych procesów na skalę laboratoryjną, szczególnie pod względem szybkości usuwania rozpuszczalnika. Ma to kluczowe znaczenie, ponieważ morfologie są uwięzione kinetycznie, co wynika z wzajemnego oddziaływania wielu procesów kinetycznych, w tym separacji faz, porządkowania, orientacji i parowania rozpuszczalnika. 6,7 Ta kinetycznie uwięziona morfologia w dużej mierze determinuje wydajność urządzeń wykorzystujących ogniwa słoneczne. W związku z tym zrozumienie rozwoju morfologii podczas procesu powlekania ma ogromne znaczenie dla manipulowania morfologią w celu optymalizacji wydajności.
Optymalizacja morfologii wymaga zrozumienia kinetyki związanej z porządkowaniem polimeru przewodzącego w roztworze po usunięciu rozpuszczalnika; 8,9 ilościowe określenie oddziaływań polimeru z przewodnikiem elektronów na bazie fulerenu; 10,11,12 zrozumienie roli dodatków w definiowaniu morfologii; 13,14,15 i równoważenie względnych szybkości parowania rozpuszczalnika (rozpuszczalników) i dodatków. 16 Wyzwaniem było ilościowe scharakteryzowanie ewolucji morfologii w warstwie aktywnej w warunkach istotnych z przemysłowego punktu widzenia. Przetwarzanie typu roll-to-roll zostało przebadane pod kątem wytwarzania urządzeń OPV na dużą skalę. 4,17 Jednak badania te przeprowadzono w środowisku produkcyjnym, w którym używane są duże ilości materiałów, co skutecznie ograniczało badania do dostępnych na rynku polimerów.
W tym artykule przedstawiono szczegóły techniczne produkcji urządzeń OPV za pomocą systemu powlekania matryc mini-slot. Parametry powłoki, takie jak kinetyka suszenia folii i kontrola grubości powłoki, mają zastosowanie w procesach na większą skalę, co sprawia, że badanie to jest bezpośrednio związane z produkcją przemysłową. Poza tym w eksperymencie z powlekaniem matrycy mini szczelinowej używa się bardzo małej ilości materiału, dzięki czemu przetwarzanie to ma zastosowanie do nowych materiałów syntetycznych. W konstrukcji ta powlekanka matrycowa z mini-szczelinami może być montowana na synchrotronowych stacjach końcowych, a tym samym rozpraszanie promieniowania rentgenowskiego pod małym kątem (GISAXS) i dyfrakcja promieniowania rentgenowskiego (GIXD) mogą być wykorzystywane do umożliwienia badań w czasie rzeczywistym nad ewolucją morfologii w szerokim zakresie skal długości na różnych etapach procesu suszenia folii w różnych warunkach przetwarzania. Informacje uzyskane w tych badaniach można bezpośrednio przenieść do środowiska produkcji przemysłowej. Niewielka ilość użytych materiałów umożliwia szybkie przesiewanie dużej liczby materiałów fotoaktywnych i ich mieszanin w różnych warunkach przetwarzania.
Półkrystaliczny polimer sprzężony niskopasmowy na bazie diketopyrrolopirolu i kwaterertiofenu (DPPBT) jest używany jako modelowy materiał donorowy, a ester metylowy kwasu (6,6)-fenylowego C71-masłowego (PC71BM) jest używany jako elektroniczny akceptor. 18,19 Poprzednie badania wykazały, że mieszaniny DPPBT:PC71BM tworzą separację faz o dużych rozmiarach, gdy stosuje się chloroform jako rozpuszczalnik. Mieszanina rozpuszczalnika chloroform:1,2-dichlorobenzen może zmniejszyć rozmiar separacji faz, a tym samym zwiększyć wydajność urządzenia. Powstawanie morfologii podczas procesu suszenia rozpuszczalnikiem bada się in situ poprzez wypas, padanie, dyfrakcję i rozpraszanie promieniowania rentgenowskiego. Urządzenia z ogniwami słonecznymi wyprodukowane przy użyciu powlekania matryc z mini-szczelinami wykazały średni PCE na poziomie 5,2% przy użyciu najlepszych warunków mieszaniny rozpuszczalników, 20, co jest podobne do urządzeń wytwarzanych z powłoką wirową. Powlekarka matrycowa z mini-szczelinami otwiera nową drogę do wytwarzania ogniw słonecznych w warunkach laboratorium badawczego, które naśladują proces przemysłowy, wypełniając lukę w przewidywaniu żywotności tych materiałów w warunkach istotnych dla przemysłu.

<table><tbody><tr><td>PC71BM</td><td>Nano-C Inc</td><td>nano-c-PCBM-SF</td><td></td></tr><tr><td>DPPBT</td><td>University of Massachusetts</td><td>Custom Made</td><td></td></tr><tr><td>PEDOT: PSS</td><td>Heraeus</td><td>P VP Al 4083</td><td></td></tr><tr><td>Mucasol Płynny środek czyszczący</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>Z637181</td><td></td></tr><tr><td>Aceton</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>270725</td><td></td></tr><tr><td>Alkohol izopropylowy</td><td>BDH</td><td>BDH1133</td><td></td></tr><tr><td>Chloroform</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>372978&nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>1,2-dichlorobenzen</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>240664</td><td></td></tr><tr><td>Fluorek litu</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>669431</td><td></td></tr><tr><td>Aluminium</td><td>Kurt Lesker</td><td>EVMAL50QXHD</td><td></td></tr><tr><td>Fiolki szklane</td><td>Fisher Scientific</td><td>03-391-7B</td><td></td></tr><tr><td>Myjka ultradźwiękowa</td><td>Cleanosonic</td><td>Branson 2800</td><td></td></tr><tr><td>Piekarnik</td><td>WVR</td><td>414005-118</td><td></td></tr><tr><td>Stojak do czyszczenia</td><td>Lawrence Berkeley National Lab</td><td>Custom Made</td><td></td></tr><tr><td>Shadow Mask</td><td>Lawrence Berkeley National Lab</td><td>Custom Made UV-Ozone</td><td></td></tr><tr><td>Cleaner</td><td>UVOCS INC</td><td>T16X16 OES</td><td></td></tr><tr><td>Schowek na rękawiczki</td><td>MBraun</td><td>Custom Made</td><td></td></tr><tr><td>Evaporator</td><td>MBraun</td><td>Custom Made</td><td></td></tr><tr><td>Slot Die Coater</td><td>Jema Science Inc</td><td>Custom Made</td><td></td></tr><tr><td>Solar Simulator</td><td>Newport</td><td>Class ABB</td><td></td></tr><tr><td>Spin Coater</td><td>SCS Equipment</td><td>SCS G3</td><td></td></tr><tr><td>Hot Plate</td><td>Thermo Scientific SP131015Q</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Pomiar rentgenowski</td><td>Lawrence Berkeley National Lab</td><td>Beamline 7.3.3</td><td></td></tr></tbody></table>

drukowanie, produkcja masowych heterozłączowych ogniw słonecznych i charakterystyka morfologii in situ

Printing Fabrication of Bulk Heterojunction Solar Cells and In Situ Morphology Characterization

Materiały na bazie polimerów są obiecujące jako tanie, elastyczne, wydajne urządzenia fotowoltaiczne. Większość wysiłków laboratoryjnych mających na celu osiągnięcie wysokiej wydajności urządzeń wykorzystywała urządzenia przygotowane przez powlekanie wirowe, proces, który nie nadaje się do produkcji na dużą skalę. Ta rozbieżność w produkcji urządzeń utrudnia przełożenie wyników ilościowych uzyskanych w laboratorium na poziom komercyjny, co utrudnia optymalizację. Korzystając z powlekarki matrycowej z mini-szczelinami, niedopasowanie to można rozwiązać, przekładając proces komercyjny na laboratorium i charakteryzując tworzenie się struktury w warstwie aktywnej urządzenia w czasie rzeczywistym i na miejscu, gdy folie są powlekane na podłożu. Ewolucja morfologii została scharakteryzowana w różnych warunkach, co pozwoliło nam zaproponować mechanizm, za pomocą którego struktury tworzą się i rosną. Ta powlekanka matrycowa z mini-szczelinami oferuje prostą, wygodną i wydajną materiałowo drogę, dzięki której morfologia warstwy aktywnej może być zoptymalizowana w warunkach przemysłowych. Celem tego protokołu jest pokazanie eksperymentalnych szczegółów dotyczących wytwarzania ogniw słonecznych przy użyciu powlekarki matrycowej z mini-szczelinami oraz szczegółów technicznych charakterystyki struktury in situ przy użyciu powlekarki z matrycą mini-szczelinową.

Na Rysunku 3 przedstawiono system powlekania metodą mini-slot die. Składa się on z jednej maszyny powlekającej, jednej pompy strzykawkowej oraz centralnego bloku sterowania. Maszyna powlekająca jest częścią kluczową, która składa się z głowicy slot die, jednej poziomej platformy translacyjnej oraz jednej pionowej platformy translacyjnej. Głowica slot die jest zamontowana do podstawy pionowego silnika translacyjnego za pomocą manipulatora przechylnego 2-D. Rysunek ...

Tutaj prezentujemy protokół wytwarzania organicznych cienkich warstw ogniw słonecznych za pomocą powlekarki z matrycą mini-szczelinową oraz powiązane charakterystyki struktury w linii produkcyjnej za pomocą technik rozpraszania synchrotronowego.

Drukowanie, produkcja masowych heterozłączowych ogniw słonecznych i charakterystyka morfologii in situ

Polymer-based materials hold promise as low-cost, flexible efficient photovoltaic devices. Most laboratory efforts to achieve high performance devices ...

Ogólnym celem tego eksperymentu jest zademonstrowanie wytwarzania druku organicznych cienkowarstwowych ogniw słonecznych oraz obserwacja ewolucji morfologii cienkich warstw podczas parowania rozpuszczalnika. Metoda ta pomaga odpowiedzieć na kluczowe pytania dotyczące funkcjonalnych cienkich warstw, takich jak cienkowarstwowe ogniwa słoneczne i powłoki polimerowe. Główną zaletą tej techniki jest to, że techniki przetwarzania przemysłowego i synchrotronowe są dobrze połączone, aby zademonstrować podstawowy aspekt materiałoznawstwa.Implikacje tej metody pomagają zrozumieć ewolucję morfologii przylegających cienkich warstw, co ma kluczowe znaczenie dla określenia ostatecznej morfologii i wydajności urządzenia. Tak więc ta technika może dostarczyć nam informacji na temat morfologii cienkowarstwowej organicznej fotowoltaiki. Może również dostarczyć nam informacji w innych materiałach, na przykład diodach elektroluminescencyjnych lub funkcjonalnych materiałach cienkowarstwowych.Aby załadować podłoże, należy umieścić przygotowane podłoże z tlenku indu i cyny pokryte PEDOT:PSS na płycie podstawy powlekarki matrycowej z mini-szczelinami. Za pomocą manipulatora liniowego znajdującego się pod

printing-fabrication-bulk-heterojunction-solar-cells-situ-morphology

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Poczyniono postępy w wykorzystaniu rozpraszania częstości występowania echa spinowego (SERGIS) jako techniki rozpraszania neutronów do badania skal długości w próbkach o nieregularnym charakterze. Krystality estru metylowego kwasu [6,6]-fenylo-C61-masłowego przebadano techniką SERGIS, a wyniki potwierdzono mikroskopią sił optycznych i atomowych.

Wykorzystanie neutronowego echa spinowego do rozwiązania problemu rozpraszania padania w celu zbadania organicznych materiałów ogniw słonecznych

Siarczek cyny (SnS) jest materiałem kandydującym na nietoksyczne ogniwa słoneczne występujące w dużych ilościach na Ziemi. Tutaj demonstrujemy procedurę wytwarzania ogniw słonecznych SnS wykorzystującą osadzanie warstw atomowych, które daje 4,36% certyfikowaną sprawność konwersji energii, oraz parowanie termiczne, które daje 3,88%.

Wytwarzanie rekordowo wydajnych ogniw słonecznych SnS metodą termicznego odparowywania i osadzania warstw atomowych

Pokazano wytwarzanie siatek o wysokim kontraście jako elementu dyspersyjnego rozdzielającego równoległe spektrum w skoncentrowanym systemie fotowoltaicznym. Opisano procesy wytwarzania, w tym litografię nanoimprint, rozpylanie TiO2 i reaktywne trawienie jonowe. Wyniki pomiarów współczynnika odbicia służą do scharakteryzowania parametrów optycznych.

Wykonanie siatek o wysokim kontraście dla elementu dyspersyjnego rozdzielającego widmo w skoncentrowanym systemie fotowoltaicznym

Opisana jest realna metodologia oparta na druku transferowym, mająca na celu wprowadzenie plazmonicznych nanostruktur metalowych do ogniw słonecznych.  Wykorzystując nanofilarowe stemple poli(dimetylosiloksanowe), uporządkowany układ nanodysków oparty na Ag zintegrowano ze standardowymi uwodornionymi mikrokrystalicznymi ogniwami słonecznymi Si, co doprowadziło do poprawy wydajności urządzenia dzięki plazmonicznemu pułapkowaniu światła.

Integracja nanostruktur srebra zatrzymujących światło w uwodornionych mikrokrystalicznych krzemowych ogniwach słonecznych za pomocą druku transferowego

Ten artykuł bada przydatność druku atramentowego do produkcji barwnikowych ogniw słonecznych. Opracowano niezawierający spoiwa atrament nanocząsteczkowy TiO2 i wydrukowano go na podłożu szklanym FTO. Zadrukowana warstwa została wyprodukowana w komórce o powierzchni czynnej 0,25cm2 i wydajności 3,5%.

Druk cyfrowy dwutlenku tytanu do ogniw słonecznych uczulonych na barwnik

Ten protokół opisuje syntezę i osadzanie roztworu nieorganicznych nanokryształów warstwa po warstwie w celu wytworzenia cienkiej warstwy elektroniki na powierzchniach nieprzewodzących. Atramenty stabilizowane rozpuszczalnikiem mogą wytwarzać kompletne urządzenia fotowoltaiczne na podłożach szklanych poprzez powlekanie wirowe i natryskowe po wymianie ligandów i spiekaniu po osadzaniu.

Produkcja w pełni przetworzonych w roztworze nieorganicznych nanokrystalicznych urządzeń fotowoltaicznych

Metoda dla w pełni drukowalnych, wolnych od fulerenów, wysoce stabilnych, masowo-heterozłączowych ogniw słonecznych opartych na alkoholanach Ti jako akceptorze elektronów i produkcji polimeru oddając elektrony jest opisana tutaj. Ponadto opisano metodę kontrolowania morfologii warstwy fotoaktywnej poprzez masowość molekularną jednostek Ti-alkoxidian.

Kontrola morfologii dla w pełni drukowalnych organiczno-nieorganicznych ogniw słonecznych z heterozłączami masowymi na bazie tytanowo-alkoksydowego i polimeru półprzewodnikowego

Prezentujemy obszerne badanie na temat efektów różnych metod wytwarzania organicznych/nieorganicznych cienkich warstw perowskitu, porównując struktury krystaliczne, gęstość stanów, poziomy energii i ostatecznie wydajność ogniw słonecznych.

Wpływ metod wytwarzania perowskitów hybrydowych na tworzenie filmu, strukturę elektronową i wydajność ogniw słonecznych

Tutaj prezentujemy protokół do opracowania wysokowydajnych heterozłączowych ogniw słonecznych GaP/Si o wysokiej żywotności nośnika mniejszościowego Si.

Opracowywanie wysokowydajnych heterozłączowych ogniw słonecznych GaP/Si

Ten artykuł jest demonstracją i wskazówką do przeprowadzenia i analizy wewnętrznych (z laboratoryjnym przyrządem rentgenowskim) eksperymentów in situ GISAXS dotyczących suszenia farb na niefulerenowych organicznych fotowoltaikach z rolki na rolkę.

Częstość występowania in situ Rozpraszanie promieniowania rentgenowskiego pod małym kątem na powłoce organicznych ogniw słonecznych z rolki na rolkę z laboratoryjnym oprzyrządowaniem rentgenowskim

Opisujemy metodę wyżarzania w podczerwieni używaną do syntezy perowskitów i mezoskopowych warstw TiO2. Parametry wyżarzania są zróżnicowane i zoptymalizowane pod kątem obróbki na szkle z tlenku cyny (FTO) domieszkowanym fluorem i politereftalanu etylenu pokrytym tlenkiem indu cyny (ITO PET), co w efekcie zapewnia urządzeniom sprawność konwersji mocy &gt;20%.

Błyskawiczne wyżarzanie w podczerwieni do przetwarzania perowskitowych ogniw słonecznych

Poznaj metodę drukowania organicznych ogniw słonecznych cienkowarstwowych z obserwacją ewolucji morfologii podczas parowania rozpuszczalnika. Technika łączy przemysłowe przetwórstwo z zaawansowaną charakterystyką synchrotronową.

Drukowanie, produkcja masowych heterozłączowych ogniw słonecznych i charakterystyka morfologii in situ

Przeglądaj więcej filmów