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Artigo de método

Impressão Fabricação de massa Heterojunction células solares e In Situ Morfologia Caracterização

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DOI:

10.3791/53710

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29 de janeiro de 2017

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1Materials Sciences Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, 2Department of Polymer Science and Engineering, University of Massachusetts, Amherst, 3Advanced Light Source, Lawrence Berkeley National Laboratory

Neste artigo

Resumo

Aqui, apresentamos um protocolo para fabricar células solares orgânicas fina película usando um aplicador die mini-slot e caracterizações estrutura relacionados em-line usando técnicas de síncrotron de dispersão.

Resumo

Os materiais à base de polímeros são promissores como dispositivos fotovoltaicos eficientes e flexíveis de baixo custo. A maioria dos esforços de laboratório para obter dispositivos de alto desempenho usou dispositivos preparados por spin coating, um processo que não é passível de fabricação em larga escala. Essa incompatibilidade na fabricação de dispositivos dificulta a tradução dos resultados quantitativos obtidos em laboratório para o nível comercial, dificultando a otimização. Usando um revestidor de matriz de mini-slot, essa incompatibilidade pode ser resolvida traduzindo o processo comercial para o laboratório e caracterizando a formação da estrutura na camada ativa do dispositivo em tempo real e in situ à medida que os filmes são revestidos em um substrato. A evolução da morfologia foi caracterizada sob diferentes condições, permitindo-nos propor um mecanismo pelo qual as estruturas se formam e crescem. Este revestidor de matriz mini-slot oferece uma rota simples, conveniente e eficiente em termos de material, pela qual a morfologia na camada ativa pode ser otimizada em condições industrialmente relevantes. O objetivo deste protocolo é mostrar detalhes experimentais de como um dispositivo de célula solar é fabricado usando um revestidor de mini-slot e detalhes técnicos da execução da caracterização da estrutura in situ usando o revestidor de mini-slot.

Introdução

células fotovoltaicas orgânicas (OPV) são uma tecnologia promissora para a produção de energias renováveis ​​de baixo custo em um futuro próximo. 1, 2, 3 esforços tremendos foram feitos para desenvolver polímeros foto-activa e fabricar dispositivos de alta eficiência. Até à data, os dispositivos individuais OPV em camadas ter alcançado uma eficiência de conversão de energia> 10% (PCE). Essas eficiências foram alcançados em dispositivos escala laboratorial usando revestimento por rotação para gerar o filme, e tradução para dispositivos escala de tamanho maior tem sido repleta de reduções significativas na PCE. 4, 5 Na indústria, rolo a rolo de revestimento de película fina com base (R2R) é utilizado para gerar fotões películas finas activas sobre substratos condutores, o que é muito diferente dos processos típicos escala laboratorial, em particular na taxa de remoção do solvente. Isto é crítico, pois as morfologias são kinetically preso, que resulta da interacção entre vários processos cinéticos, incluindo a separação de fases, ordenação, orientação e evaporação do solvente. 6, 7 Esta morfologia cineticamente aprisionada, no entanto, determina em grande parte o desempenho dos dispositivos de células solares. Assim, a compreensão do desenvolvimento da morfologia durante o processo de revestimento é de grande importância para manipular a morfologia de modo a optimizar o desempenho.

A optimização da morfologia requer a compreensão da cinética associados com o ordenamento do polímero condutor de furo em solução como solvente é removido; 8, 9 quantificar as interações do polímero com o condutor de elétrons baseados em fulereno; 10, 11, 12 compreender os papéis de aditivos na definição da morfologia; 13, 14, 15 e equilibrar as taxas relativas de evaporação do solvente (s) e aditivos. 16 Tem sido um desafio para caracterizar a evolução da morfologia quantitativamente na camada activa em um ambiente industrialmente relevantes. processamento de roll-to-roll tem sido estudado para a fabricação de dispositivos OPV em grande escala. 4, 17 No entanto, estes estudos foram realizados numa configuração de fabrico em que grandes quantidades de materiais são usados, o que reduz eficazmente estudos aos polímeros disponíveis comercialmente.

Neste trabalho, os detalhes técnicos de fabricação de dispositivos OPV usando um sistema de revestimento die mini slot são demonstrados. parâmetros de revestimento tais como cinética de secagem filme e controle de espessura de filme são aplicáveis ​​a processos de maior escala, fazendo com que este estudo directamente relacionada com fa indústrialubrificação periódi-. Além disso, uma quantidade muito pequena de material é usado na experiência de revestimento ranhura do cunho mini, tornando este processamento aplicável a novos materiais sintéticos. No desenho, este mini-ranhura do cunho revestidor pode ser montado em estações terminais sincrotrão, e de pastagem, assim, a incidência espalhamento pequeno ângulo de raios X (GISAXS) e difracção de raios-X (GIXD) pode ser utilizado para permitir estudos em tempo real sobre a evolução da morfologia sobre uma ampla gama de escalas de comprimento em diferentes fases do processo de secagem película sob uma gama de condições de processamento. As informações obtidas nestes estudos podem ser transferidos diretamente para um ambiente de fabricação industrial. A pequena quantidade de materiais usados ​​permite um rastreio rápido de um grande número de materiais foto-activa e as suas misturas, em diferentes condições de processamento.

O diketopyrrolopyrrole semi-cristalino e quaterthiophene (DPPBT) base de banda de baixa conjugado polímero é usado como material de modelo dador, e (6,6) -fenil-C71 butyric éster metílico do ácido (PC 71 BM) é utilizado como o aceitador electrónico. 18, 19 Mostra-se em estudos anteriores que DPPBT: PC 71 BM formar misturas separação de fases tamanho grande quando se usa clorofórmio como o solvente. A clorofórmio: 1,2-diclorobenzeno mistura de solventes pode reduzir o tamanho da separação de fases e, assim, aumentar o desempenho do dispositivo. A formação morfologia durante o processo de secagem do solvente é investigado in situ por pastagem difracção de incidência de raios X e dispersão. Dispositivos da célula solar fabricada usando o molde revestidor mini slot mostrou um PCE média de 5,2% utilizando as melhores condições de misturas de solventes, 20, que é semelhante ao spin-coating dispositivos fabricados. O coater mini slot die abre uma nova rota para fabricar dispositivos de células solares em um ambiente de laboratório de pesquisa que imita um processo industrial, preenchendo uma lacuna no prevendo a viabilidade destes materiais em uma rel industrialmentedefinição Evant.

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Protocolo

Preparação Mistura Ink 1. Photon-ativa

  1. Pesar 10 mg de polímero DPPBT e 10 mg de material de PC 71 BM (estruturas químicas mostrados na Figura 1). Misturá-los em um frasco de 4 ml.
  2. Adicionar 1,5 ml de clorofórmio e 75 mL de 1,2-diclorobenzeno na mistura.
  3. Coloque uma pequena barra de agitação dentro do frasco, feche o frasco com um politetrafluoretileno (PTFE) boné, e transferir o frasco para um prato quente. Agita-se a ~ 400 rpm e aquece-se a ~ 50 ° C durante a noite antes da utilização.

2. ITO e Wafer limpeza e preparação do substrato

  1. Carga de pré-modelado substrato índio óxido de estanho (ITO) de vidro (1 polegada por 3 polegadas, com metade removido ITO) ou bolacha de silício num bastidor de limpeza de Teflon e colocar a cremalheira em um recipiente de vidro (Figura 2). Adicionar solução de detergente diluído (300 ml, solução de detergente universal 1%) para dentro do recipiente de vidro e colocar o recipiente de vidro em sonicador e sonicado durante 15 minutos.
  2. Remover o detergente e lavar o vidro ITO com água deionizada (DI) de água um par de vezes. Em seguida, adicionam-se 300 ml de água Dl para dentro do recipiente, e colocar o recipiente de vidro em sonicador durante mais 15 minutos.
  3. Remover a água do recipiente. Adicionar 300 ml de acetona para dentro do recipiente, e sonicar durante 15 min.
  4. Remover a acetona. Adicionar 300 ml de 2-isopranol para dentro do recipiente de vidro, e, em seguida, sonicar durante 15 min.
  5. Mova a limpeza da cremalheira para fora em um forno. Ajustar a temperatura do forno para 100 ° C, e esperar 3-5 horas até que o vidro ITO é completamente seca.
  6. Retire substratos limpos. Transferi-los para um UV-ozono produto de limpeza ou de oxigênio líquido de limpeza plasma. Use de alta potência de UV-ozono ou plasma para limpá-los para ~ 15 min de acordo com o protocolo do fabricante.
  7. Colocar o substrato limpo para um spin-coater, adicionar 150 uL de poli (3,4-etilenodioxitiofeno) de sulfonato de poliestireno (PEDOT: PSS) solução sobre o substrato limpo, e revestimento de centrifugação a 3.000 rpm para revestira ~ 30 nm de espessura PEDOT: PSS (PEDOT: PSS 4083) fina película sobre o vidro de ITO ou de silício wafers.
  8. Tire substratos de spin revestido. Transferir os substratos revestidos frescas sobre uma placa de aquecimento e recozimento a 150 ° C durante 15 min.

3. Activo camada de impressão

  1. substrato de carga. Coloque o PEDOT: PSS substrato de ITO revestido sobre a placa de base da ranhura de revestimento mini-matriz. Ligar a bomba de vácuo que está ligado ao mandril de vácuo da ranhura de revestimento de matriz para segurar firmemente o substrato. (Ver Figura 3 para localizar componentes diferentes).
  2. Ajuste a posição do substrato para colocá-lo bem debaixo da cabeça de impressão. Isto pode ser feito usando o manipulador linear por baixo da placa do substrato.
  3. Ajuste a cabeça inclinada usando o manipulador de inclinação 2-D que mantém a cabeça de impressão. Certifique-se de que a cabeça está posicionado verticalmente por cima do substrato carregado. Note-se que neste processo, a cabeça de impressão pode ser reduzido perto do substrate. Use a lacuna entre a cabeça de impressão eo substrato para mostrar se a cabeça está inclinada ou não. Isso será extremamente útil quando um substrato de wafer é usado, uma vez que uma imagem menor da cabeça de impressão vai aparecer e vai ser muito mais fácil de verificar a inclinação.
  4. Sintonize a distância cabeça-de-substrato para zero. O motor vertical é acoplado com um sensor de força. Quando a cabeça de impressão é flutuante, será obtida uma leitura força constante (a partir do peso de imprimir cabeça e inclinando conjuntos manipulador). Uma vez que a cabeça de impressão toca substrato, a leitura irá reduzir, marcando a posição zero. Veja a Figura 4 para a configuração de distância escalonada. Use o modo jog em ajustar a distância.
    NOTA: A placa de manipulador de translação vertical é ligado à sua base usando molas e a constante de mola varia ligeiramente. Assim, pequenas alterações no sensor de força são inevitáveis ​​durante a experiência.
  5. Defina um valor cabeça-de-substrato para executar o experimento. Nesta experiência, a definircabeça ao substrato diferença para 100 mm.
  6. Ajustar o motor estágio de translação linear, que vai ser utilizado para imprimir. Encontre o ponto de partida e ponto final. Anote esses valores. A distância do curso do motor linear é de 100 mm. Aqui, definir a posição do motor mm 10 como ponto de partida e 80 mm posição do motor como o ponto final.
  7. Ajuste a velocidade de impressão de 10 mm / seg usando o motor que controla interface de software (Figura 4b). Defina a velocidade de aceleração do motor a 100 m / s.
    1. Se o motor não funcionar adequadamente ou o software tem um erro, por favor, reinicie o software e clique em "enable" e depois em "casa" na interface do software. Note-se que durante o processo de impressão, a cabeça de impressão se mantém fixa e o substrato move-se para administrar a solução e imitar o processo de impressão industrial.
  8. Carga DPPBT: solução PCBM (temperatura ambiente) em 1 ml de uma seringa e a montagem de uma seringa à bomba de seringa que é ligada à ranhuramorrer impressora. Defina os parâmetros de impressão no software de controle (diâmetro seringa e velocidade de alimentação de solução, 0,3 ml / min, neste caso).
  9. Iniciar a experiência de impressão.
    1. Mover o substrato para o ponto de partida, escrevendo a posição do ponto de partida na janela posição no controlo de software. Veja a Figura 4c para mais detalhes.
    2. Comece a bomba de solução na cabeça slot de morrer, clicando no início do software bomba de seringa. Como alternativa, operar manualmente a bomba de seringa. Para cada revestimento, irá ser usado em torno de ~ 100 ul de solução. Normalmente, utilizar solução de 300 ul para a impressão primeira vez e usar ~ solução de 100 ul para a impressão repetida.
    3. iniciar rapidamente o motor de translação quando a solução começa a sair da cabeça de impressão e o substrato irá se mover para a posição final. Por favor note que este é um passo crítico. Pré-carregar o motor de translação terminando posição para a janela de posição e clique em Enter para iniciar a mov do motorement.
    4. Pare a bomba de seringa e levante a cabeça de impressão utilizando o motor vertical. Ligue o vácuo e levar o substrato fora da placa de base. Note-se que o volume morto para esta cabeça de impressão é de 250 ul, e enchendo deste modo a primeira vez que leva mais do que 250 ul de solução.
    5. Carregar o substrato impresso, numa estufa de vácuo durante 3-5 h para remover o solvente residual.
    6. Coloque uma placa de Petri por baixo da cabeça de impressão. Bombear 10 ml de clorofórmio na cabeça de impressão para limpar a cabeça. Recolhe-se o clorofórmio solução contaminada com a placa de Petri. Use cotonetes para limpar a cabeça de impressão ao bombear a solução de limpeza. Depois de cada execução do revestimento, limpar a cabeça de impressão, especialmente quando uma solução diferente é usado.
      NOTA: O DPPBT: solução PCBM mostra uma cor verde escuro. Quando a limpeza está completa, sem cor pode ser visto a partir do solvente de clorofórmio.

4. Cathode Eletrodo Deposition

  1. carregar osubstrato revestido camada activa para máscaras de sombra (Figura 5) e montar a máscara para a câmara de evaporação.
  2. Coloque dois barcos evaporação térmica entre os pinos de eléctrodo (Figura 6A). Carregar um barco com sal LiF (mal cobrindo o barco, ~ 0,2 g) e um barco com o metal de alumínio (4 pelotas).
  3. Feche a câmara de evaporação e bombear para baixo da câmara de evaporação de cerca de 2 x 10 -6 Torr.
  4. Definir a câmara de depósito 1 nm de LiF seguido de 100 nm de alumínio. No caso atual, usar o poder de 20% para a deposição LiF e usar o poder de 26% para a deposição de Al. Mostrado na Figura 6b é a interface do sistema utilizado neste estudo de controlo do evaporador.
  5. Pare de bombas de evacuação e encher a câmara com azoto. Quando a pressão retorna à pressão ambiente, tomar as substratos para fora.

5. Medição do Desempenho Fotovoltaica

  1. Prepara-se uma lâmina de vidro, que é a metadelargura do vidro ITO que é usado na fabricação do dispositivo. Realizar esta etapa em uma caixa de luva. Cole cola epoxi para um lado do substrato de vidro, e cobrir a área do dispositivo através das lâminas de vidro revestidas com cola epóxi (ver Figura 11 para o dispositivo de amostra). Quando o epóxi ter curado, o dispositivo irá ser totalmente selada.
  2. Comece a lâmpada de simulação solar e definido como AM 1.5 de radiação com 100 mW / cm 2. Estabilizar a lâmpada para cerca de 15 min antes da medição. Mostrado na Figura 7 é o sistema de medição fotovoltaico utilizado no presente estudo.
  3. Montar o dispositivo sob o simulador solar a uma distância instrumento sugerido. Ligue o ânodo e o cátodo para o circuito de medição. Grave uma curva de corrente-tensão utilizando um multímetro eléctrica utilizando o protocolo do fabricante.
  4. Determinar o desempenho do dispositivo, como se segue:
    J sc: corrente de curto-circuito, a corrente máxima que um dispositivo da célula solar pode entregar;
    V oc : Tensão de circuito aberto, a tensão máxima que um dispositivo da célula solar pode entregar;
    FF: fator de preenchimento, a área máxima na curva IV dividido por J sc * V oc;
    Eficiência de conversão de energia, J sc * V oc * FF / (100mW / cm2): PCE.

Medição de raios-X 6. Synchrotron

  1. Configurar uma caixa de hélio para suprimir a dispersão do ar na medição de raios-X. Monte o coater die mini-ranhura na caixa de hélio. Mostrado na figura 8 é a configuração da experiência de pastoreio incidência de raios-X de difracção de experiências utilizando hélio a uma caixa Advanced Light Source.
  2. Montar um interferómetro óptico sobre a máquina de impressão para controlar a variação da espessura através da evaporação do solvente. Nesta experiência, utilizam um modelo UVX (por exemplo, Filmetrix F20). Os materiais que são usados ​​nesta experiência têm a absorção de luz forte 300-900 nm de comprimento.
    1. Use uma lâmpada de fonte de interferômetro óptico them evita a absorção do material. Use uma lâmpada de comprimento de onda 1,100-1,700 nm neste experimento. Pré-calibrar o instrumento antes da experiência na sequência dos seus procedimentos de operação.
  3. Coloque o PEDOT: PSS substrato wafer revestido no suporte substrato da impressora e ajustar a posição da cabeça e do substrato passo seguinte 3,2-3,5. Ligar a bomba de vácuo e certificar-se de que o substrato de pastilha adere ao suporte de substrato firmemente.
  4. Purgar a caixa de hélio para remover o ar. Note-se que o nível de oxigénio deve ser inferior a 0,3% v, que pode ser controlado através do sensor de oxigénio.
  5. Alinhar o substrato na posição em que o raio-X colide com o substrato (a posição final em impressão), e ajustar o ângulo de incidência, 0,16 ° neste caso. Alinhar acordo com o protocolo de linha de feixe.
  6. Definir o método de aquisição de raios-X tempo de exposição e dados. Aqui, utilizar 2 seg, como o tempo de exposição, e seguido por 3 segundos do tempo de atraso (para evitar danos feixe servidor). Assim, cada período de experimentoser de 5 seg. Realizar uma fila contínua de 100 repetições; assim, levar 100 imagens.
  7. Nome do experimento e escolher o caminho de dados para salvar arquivos experimentais. Mostrado na Figura 9 é a interface do usuário avançada Light Source beamline 7.3.3 onde os ajustes mencionados acima podem ser facilmente localizado.
  8. Mover o substrato para a posição de partida, inserindo a posição de partida no software de controlo do motor. Comece o obturador de raios-X eo detector gravar continuamente sinais de difração / espalhamento.
  9. Inicie a bomba de seringa para alimentar solução na cabeça de impressão. Quando a solução começa a ejetar da cabeça de impressão (monitorado por uma câmera de vigilância), iniciar rapidamente o processo de impressão.
    NOTA: Quando a posição de medição pré-escolhido é alcançada, detector de 2-D vai capturar o sinal de dispersão a partir da solução. espessura do filme será monitorado por interferômetro. Assim, a evolução fina morfologia filme será gravado.
  10. Levante a impressoracabeça e limpar a cabeça quando experimento é feito.

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Resultados

Mostrado na Figura 3 é o sistema de revestimento de molde mini-slot. É constituída por uma máquina de revestimento, uma bomba de seringa e uma caixa de controlo central. A máquina de revestimento é a parte essencial, que é feito de uma cabeça de ranhura do cunho, um estágio de translação horizontal, e um estágio de translação vertical. A cabeça ranhura do cunho está montado na base de um motor de translação vertical através de um manipulador de inclinação 2-D. Fi...

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Discussão

O método descrito aqui concentra-se no desenvolvimento de um método de preparação de película que pode ser facilmente dimensionado para cima na produção industrial. impressão de película fina e caracterização morfologia síncrotron são os passos mais críticos com o protocolo. Em pesquisas de laboratório em escala OPV anterior, revestimento rotativo é usado como o método dominante para fabricar dispositivos de película fina. No entanto, este processo utiliza uma elevada força centrífuga para se espalhar solução BHJ, que é...

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Divulgações

Os autores não têm nada a divulgar.

Agradecimentos

Este trabalho foi apoiado pela Polymer-Based Materials for Harvesting Solar Energy (PHaSE), um Centro de Pesquisa de Fronteira de Energia financiado pelo Departamento de Energia dos EUA, Escritório de Ciências Básicas de Energia sob o número de concessão DE-SC0001087 e pelo Escritório de Pesquisa Naval dos EUA sob o contrato N00014-15-1-2244. Partes desta pesquisa foram realizadas na linha de luz 7.3.3 e 11.0.1.2 na Fonte de Luz Avançada, Laboratório Nacional Lawrence Berkeley, que foi apoiada pelo DOE, Escritório de Ciência e Escritório de Ciências Básicas de Energia.

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Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
PC71BMNano-C Incnano-c-PCBM-SF
DPPBTA Universidade de MassachusettsCustom Made
PEDOT:PSSHeraeusP VP Al 4083
Mucasol Líquido de LimpezaSigma-AldrichZ637181
AcetonaSigma-Aldrich270725
Álcool IsopropílicoBDHBDH1133
ClorofórmioSigma-Aldrich372978 
1,2-diclorobenzenoSigma-Aldrich240664
Fluoreto de lítioSigma-Aldrich669431
AlumínioKurt LeskerEVMAL50QXHD
Frascos de vidroFisher Scientific03-391-7B
Limpador UltrassônicoCleanosonicBranson 2800
FornoWVR414005-118
Rack de LimpezaLawrence Berkeley National LabCustom
Made Shadow MaskLawrence Berkeley National LabCustom
UV-Ozone CleanerUVOCS INCT16X16 OES
Glove BoxMBraun
Made EvaporatorMBraun
Made Slot Die CoaterJema Science IncSimulador Solar Personalizado
NewportClasse ABB
Spin CoaterSCS EquipamentoSCS G3
Placa QuenteThermo ScientificSP131015Q
Medição de Raios-XLawrence Berkeley National LabBeamline 7.3.3
Made Custom Custom

Referências

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  20. Liu, F., et al. Fast Printing and In Situ Morphology Observation of Organic Photovoltaics Using Slot-Die Coating. Adv. Mater. 27 (5), 886-891 (2015).

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