תא מודפס 3D עבור התקן מעגל אורגני השפלה בדיקות
Summary
כאן, אנו מציגים פרוטוקול עבור עיצוב, ייצור, שימוש פשוט, תכליתי מודפס 3D ומבוקר אטמוספרי תא אופטי וחשמליים אפיון התקני אוויר רגיש מעגל אורגני.
Abstract
כתב יד זה, אנו מכינים לייצור תא אטמוספרי קטן, נייד, קל לשימוש עבור אורגני והתקנים פרוביסקיט מעגל, באמצעות הדפסת תלת-ממד. כמו סוגים אלה של מכשירים רגישים לחות וחמצן, תא כזה יכול לסייע חוקרים באפיון המאפיינים אלקטרונית ויציבות. החדר נועד לשמש כסביבה זמני הניתן לשימוש חוזר, יציב עם המאפיינים מבוקר (כולל, מבוא גז, חום ולחות). זה יכול לשמש כדי להגן על חומרים רגישים אוויר או לחשוף אותם מזהמים בצורה מבוקרת ללימודי השפלה. כדי לאפיין את המאפיינים של התא, אנחנו חלוקה לרמות הליך פשוט כדי לקבוע את קצב השידור אדי מים (WVTR) באמצעות לחות יחסית כפי שנמדד על ידי חיישן לחות רגיל. זה הליך סטנדרטי באמצעות צפיפות infill 50% של חומצה polylactic (PLA), תוצאות תא יכול לשמש במשך שבועות ללא אובדן משמעותי של מאפייני התקן. רב-תכליתיות ונוחות שימוש של התא מאפשר לו להיות מותאם כל תנאי אפיון הדורשת אווירה שבשליטת קומפקטי.
Introduction
מכשירים מעגל אורגנית, פרוביסקיט, תאים סולריים, דיודות פולטות אור מבוסס על מצומדת π מולקולות אורגניות מוליכים למחצה הלידים organometal הם שטח בצמיחה מחקר. אורגני דיודות פולטות אור (OLEDs) נמצאים כבר מרכיב הטכנולוגיות הגדולות תאורה ומציגה1, photovoltaics אורגני החלו להשיג יעילות שהופכים אותם תחרותי עם סיליקון אמורפי2. קידום מהיר לאחרונה מכשירים מבוססי פרוביסקיט עבור קליטת אור ופולט-אור יישומים3,4,5 מרמז כי התקנים נמוכים, מעובד בקלות צפויים בקרוב למצוא נרחבת פריסה. עם זאת, כל הטכנולוגיות האלה סובלים רגישות כדי מזהמים באטמוספירה, בעיקר נוזלים, חמצן, אשר מגביל את שלהם תקופות חיים יעיל6,7,8,9.
עבור החוקרים ללמוד מערכות כאלה, זה יכול להיות שימושי שיהיה חדר, קל לשימוש, נייד, וניתנת לשימוש חוזר כדי להגן על חומרים רגישים כאלה או לחשוף אותם מזהמים10,11מבוקר. למרות שזה אפשרי לשימוש עם הכפפות אפיון התקני אוויר רגיש, סביבות אלה גדול, יקר, והוא קבוע-מיקום, אינרטי עשוי להיות בקנה אחד עם מגוון רחב של אפיון עשוי להידרש. כדי לספק נייד, אלטרנטיבי, ריס. et al. 10 הציע תא מתכת קטן המבוסס על מקורבות ואקום סטנדרטי מתאים חשמלית, אופטי אפיון התקנים אורגניים. אנחנו הסתגלו עיצוב זה, שהופך אותו תכליתי יותר וזולה יותר באמצעות הדפסת תלת-ממד כדי לייצר את הרכיבים קאמרית. השימוש של הדפסת תלת-ממד, יותר מאשר עיבוד שבבי, מאפשר התאמות מהירה, חסכונית המשתנים מדגם או דרישות איכות הסביבה תוך שמירה על השירות של העיצוב הבסיסי. בתרומה זו, המתאר את ההליך כדי לעשות כזה תא, ואנו להשתמש בו כדי לחלץ את מאפייני זרם-מתח של המכשיר דיודות אורגניות.
טוב ומגעים אורגניים ויש לו פרוביסקיט מכשירים WVTRs של 10-3 –-6 10 גרם/מ2/יום עבור לטווח ארוך התקן יציבות12,13, כדי להבטיח הקטן חדירת מים לתוך המכשיר אורגני גם מאוד בתנאים קשים. כמו החדר הזה נועד להיות סביבה מבוקרת לבדיקת למטרות יותר מאשר שיטת אחסון או כימוס לטווח ארוך, הדרישות עבור חדר יעיל אינם כמו קפדנית. החדר צריך להיות מסוגלים לשמור את מאפייני התקן בתוך פרק זמן סביר לביצוע ניסויים אפיון. הליך מקובל השימוש PLA תוצאות בתוך תא אשר יכול לשמש במשך מספר ימים או אף שבועות עם תזרים גז מואגד, בלי לאובדן משמעותי של מאפייני ההתקן.
שינוי החומרים, או אפילו הצורה והגודל של הגוף קאמרית יכול להשפיע באופן דרסטי את חדירת מזהמים מהאוויר לתוך החדר. לכן, חדירת של לחות וחמצן צריך להיות במעקב בקפידה עבור כל עיצוב לקבוע את היעילות של התא. אנו, בנוסף על הזיוף של התא, חלוקה לרמות הליך פשוט לקביעת את WVTR של התא, באמצעות חיישן לחות זמינים מסחרית, כדי לקבוע פרק זמן השימוש של החדר לניסויים.
חדר כזה פשוט, אך תכליתי מאפשר מספר סוגים של ניסויים שיש לבצע. הם יכולים לשמש אווירה אינרטי סביבות מחוץ הכפפות מתאים אפיוני חשמלית, אופטי דרך יציאות מוזנים חשמלית חלון. ניידות שלהם מאפשר להם לשמש עם אפיון חשמל רגיל ציוד מחוץ למעבדה, שם הם יוצרו אשר שימושי ותרנגולת בדיקות אמינות14 או כדי לקבל מדידות מוסמך של המכשיר ביצועים15. התאים האלה הם גם שימושי במיוחד ללמוד את ההשפעות של המבוא של מזהמים לבדיקות השפלה מבוקרת, עם שינויים פשוטים. השימוש של הדפסה תלת-ממדית מאפשרת של הסתגלות משמעותי, מהירה שינוי התקן פריסות, גדלים, או דרישות בדיקה.
Protocol
Representative Results
Discussion
השלבים הקריטיים לשחזר את הניסוי הזה כוללים ההדפסה של התאים כדי למנוע סדקים, פערים או מאפיינים במילוי המסכן אשר יכול להפחית את WVTR, איטום החדר כדי למנוע חדירת כלשהו של לחות וחמצן על ידי הידוק את המלחציים KF50 כדי להשיג על אטימה מלאה בין התאים העליונים והתחתונים, שימוש של ואקום-מדורג אפוקסי בלח?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים מכיר פיטר Jonosson, מרכז המדיה החדש ליונס עבור הדפסה תלת-ממדית של התאים. מחקר זה נתמך על ידי 436100-2013 RGPIN, ER15-11-123, מקמאסטר דין של הנדסה לתואר ראשון הקיץ מחקר המצוינות התוכנית הזדמנויות מחקר לתואר ראשון.
Materials
| ORION DELTA DESKTOP 3D PRINTER RTP | SeeMeCNC | 87999 | Known in Report As: 3D Printer |
| 1.75 mm PLA Filament | SeeMeCNC | 50241 | Known in Report As: PLA |
| Somos® WaterShed XC 11122 chamber | Somos | printed at Custom Prototypes, Toronto. | https://www.dsm.com/products/somos/en_US/products/offerings-somos-water-shed.html Known in Report As: Water resistant polymer |
| CURA | CURA | https://ultimaker.com/en/products/cura-software Known in Report As: slicing software |
|
| Soldering iron with 600° F tip | Weller | WTCPT | |
| Xtralien X100 Source Measure Unit | Ossila | E561 | Known in Report As: SMU |
| ZIF Test Board for Pixelated Anode Substrates | Ossila | E221 | Known in Report As: Zero insetion force/ZIF Test Board; |
| BNC Cable | |||
| Generic USB A – B | |||
| Generic USB A – Micro | |||
| #12 O-Ring | Source unkown Known in Report As: o-ring |
||
| 116 Butyl O-Ring | Global Rubber Products | 116 VI70 | Bought in-store Known in Report As: o-ring |
| Retaining ring | McMaster | NA | 3D printed in-house |
| Bottom Chamber | McMaster | NA | 3D printed in-house |
| Top Chamber | McMaster | NA | 3D printed in-house |
| KF50 Cast Clamp (Aluminum) | Kurt J. Lesker | QF50-200-C | |
| KF50 Centering Ring (Aluminum) | Kurt J. Lesker | QF50-200-BRB | |
| Sn60/Pb40 Solder | MG Chemicals | 4895-2270 | |
| #4-40 x 3/16" machine screw | Hardware store | ||
| #4-40 IntThrd Brass TaperSingleVane Insert For Thermoplastic | Fastenal | 11125984 | Fastenal requires to be affiliated with company/university Known in Report As: #4-40 brass tapered threaded insert |
| Varian Torr Seal Vacuum Equipment High Vacuum Epoxy | Vacuum Products Canada Inc. | Known in Report As: low-pressure epoxy | |
| Smiths Interconnect/IDI Contact Probes HEADED RADIUS | Mouser Electornics | 818-S-100-D-3.5-G | Known in Report As: pogo pin |
| Smiths Interconnect/IDI Contact Probes Receptacle Solder Cup | Mouser Electornics | 818-R-100-SC | Known in Report As: solder cup |
| 1/4" Teflon Tubing | Hardware store | ||
| Teflon tape | Hardware store | ||
| 1/4" Tube x 1/8" Male NPT Nickel Plated Brass Push-to-Connect Connector | Fastenal | 442064 | Not the same ones used for this study, but are fuctionally equivalent Known in Report As: push-to-connect pneumatic connector |
| 1/8" NPT Tap and T-wrench | Hardware store | ||
| 1/4" Tube Push-to-Connect Manually Operated Valves | Fluidline | 7910-56-00 | Known in Report As: manually operated push-to-connect valves |
| Adafruit DHT22 Humidity Sensor (small) | Digi-Key | 385 | Known in Report As: internal humidity sensor |
| Adafruit DHT22 Humidity Sensor (large) | Digi-Key | Known in Report As: external humidity sensor | |
| Arduino Uno | Arduino | ||
| Glovebox environment | |||
| 10 kOhm Resistor | |||
| Oscilla Xtralien Scientific Python IDE | Oscilla | https://www.ossila.com/pages/xtralien-scientific-python Known in Report As: Python IDE |
References
- Tremblay, J. -. F. The rise of OLED displays. Chemical & Engineering News. 94 (28), 30-34 (2016).
- Kang, H., et al. Bulk-Heterojunction Organic Solar Cells: Five Core Technologies for Their Commercialization. Advanced Materials. 28 (36), 7821-7861 (2016).
- Jacoby, M. The future of low-cost solar cells. Chemical & Engineering News. 94 (18), 30-35 (2016).
- Veldhuis, S. A., et al. Perovskite Materials for Light-Emitting Diodes and Lasers. Advanced Materials. 28 (32), 6804-6834 (2016).
- Park, N. -. G. Perovskite solar cells: an emerging photovoltaic technology. Materials Today. 18 (2), 65-72 (2015).
- Turak, A. Interfacial degradation in organic optoelectronics. RSC Advances. 3 (18), 6188 (2013).
- Scholz, S., Kondakov, D., Lüssem, B., Leo, K. Degradation Mechanisms and Reactions in Organic Light-Emitting Devices. Chemical Reviews. 115 (16), 8449-8503 (2015).
- Jørgensen, M., Norrman, K., Gevorgyan, S. A., Tromholt, T., Andreasen, B., Krebs, F. C. Stability of Polymer Solar Cells. Advanced Materials. 24 (5), 580-612 (2012).
- Habisreutinger, S. N., McMeekin, D. P., Snaith, H. J., Nicholas, R. J. Research Update: Strategies for improving the stability of perovskite solar cells. APL Materials. 4 (9), 091503 (2016).
- Reese, M. O., Sigdel, A. K., Berry, J. J., Ginley, D. S., Shaheen, S. E. A simple miniature controlled-atmosphere chamber for optoelectronic characterizations. Solar Energy Materials and Solar Cells. 94 (7), 1254-1258 (2010).
- Gevorgyan, S. A., Jorgensen, M., Krebs, F. C. A setup for studying stability and degradation of polymer solar cells. Solar Energy Materials and Solar Cells. 92 (7), 736-745 (2008).
- Park, J. -. S. S., Chae, H., Chung, H. K., Lee, S. I. Thin film encapsulation for flexible AM-OLED: a review. Semiconductor Science and Technology. 26 (3), 034001 (2011).
- Ahmad, J., Bazaka, K., Anderson, L. J., White, R. D., Jacob, M. V. Materials and methods for encapsulation of OPV: A review. Renewable & Sustainable Energy Reviews. 27, 104-117 (2013).
- Gevorgyan, S. A., et al. Round robin performance testing of organic photovoltaic devices. Renewable Energy. 63, 376-387 (2014).
- Osterwald, C. R., Hammond, R., Zerlaut, G., D’Aiello, R. Photovoltaic module certification and laboratory accreditation criteria development. Solar Energy Materials and Solar Cells. 41, 629-636 (1996).
- Turak, A., et al. Systematic analysis of processing parameters on the ordering and performance of working poly(3-hexyl-thiophene):[6,6]-phenyl C(61)-butyric acid methyl ester solar cells. Journal of Renewable and Sustainable Energy. 2 (5), 53103 (2010).
- Qi, B., Wang, J. Fill factor in organic solar cells. Physical Chemistry Chemical Physics. 15 (23), 8972-8982 (2013).
- Lu, N., Li, L., Sun, P., Liu, M. Short-circuit current model of organic solar cells. Chemical Physics Letters. 614, 27-30 (2014).
- Qi, B., Wang, J. Open-circuit voltage in organic solar cells. Journal of Materials Chemistry. 22 (46), 24315-24325 (2012).
- Xue, J., Uchida, S., Rand, B. P., Forrest, S. R. 4.2% efficient organic photovoltaic cells with low series resistances. Applied Physics Letters. 84 (16), 3013-3015 (2004).
- Hauch, J. A., Schilinsky, P., Choulis, S. A., Rajoelson, S., Brabec, C. J. The impact of water vapor transmission rate on the lifetime of flexible polymer solar cells. Applied Physics Letters. 93 (10), 103306 (2008).
- Norrman, K., Madsen, M. V., Gevorgyan, S. A., Krebs, F. C. Degradation Patterns in Water and Oxygen of an Inverted Polymer Solar Cell. Journal of the American Chemical Society. 132 (47), 16883-16892 (2010).
- Dameron, A. A., Reese, M. O., Moriconie, T. J., Kempe, M. D. Understanding Moisture Ingress and Packaging Requirements for Photovoltaic Modules. Photovoltaics International. 5, 121-130 (2009).
- Standard Test Method for Water Vapor Transmission Rate of Sheet Materials Using Dynamic Relative Humidity Measurement. ASTM E398 – 13 Available from: https://www.astm.org/Standards/E398 (2013)
- Basha, R. K., Konno, K., Kani, H., Water Kimura, T. Water Vapor Transmission Rate of Biomass Based Film Materials. Engineering in Agriculture, Environment and Food. 4 (2), 37-42 (2011).
- Kim, N., et al. A correlation study between barrier film performance and shelf lifetime of encapsulated organic solar cells. Solar Energy Materials and Solar Cells. 101, 140-146 (2012).
- Reese, M. O., et al. Pathways for the degradation of organic photovoltaic P3HT: PCBM based devices. Solar Energy Materials and Solar Cells. 92 (7), 746-752 (2008).
- Kempe, M. D., Reese, M. O., Dameron, A. A. Evaluation of the sensitivity limits of water vapor transmission rate measurements using electrical calcium test. Review of Scientific Instruments. 84 (2), 025109 (2013).
- Reese, M. O., et al. Consensus stability testing protocols for organic photovoltaic materials and devices. Solar Energy Materials and Solar Cells. 95 (5), 1253-1267 (2011).
- . Current landscape of standardisation efforts in organic and printed electronics 2015 – a VAMAS review Available from: https://www.researchgate.net/publication/278035615_Current_landscape_of_standardisation_efforts_in_organic_and_printed_electronics_2015_-_a_VAMAS_review (2015)
