Summary
Здесь мы представляем протокол для проектирования, производства и использования простой, универсальный 3D-печати и контролируемой атмосферы камеры для оптических и электрических характеристик воздуха чувствительных органических оптоэлектронных устройств.
Abstract
В этой рукописи, мы наметим производство небольшой, портативный, простой в использовании атмосферных камеры для органических и перовскит оптоэлектронных устройств, с помощью 3D-печати. Как эти типы устройств чувствительны к воздействию влаги и кислорода, такая камера может помочь исследователей в характеризующих свойства электронных и стабильности. Палата предназначен для использования в качестве временного, многоразовые и стабильной среды с контролируемых свойств (включая влажность, введение газа и температуры). Он может использоваться для защиты воздуха чувствительных материалов или подвергать их загрязнителей в контролируемым образом для исследования деградации. Характеризовать свойства камеры, мы приводим простой процедуры для определения скорости передачи водяного пара (СПВП) с помощью относительной влажности как измеряется датчиком стандартной влажности. Эта стандартная операционная процедура, с помощью плотность заполнения 50% полимолочной кислоты (НОАК), приводит к камере, который может использоваться для недель без значительной потери свойств устройства. Универсальность и простота использования камеры позволяет ему быть адаптированы к любой характеристика состояние, которое требует компактный контролируемой атмосферы.
Introduction
Органические и перовскит оптико-электронных приборов, солнечных батарей и светоизлучающие диоды на основе π-сопряженных полупроводниковые органических молекул и галогениды organometal являются быстро развивающейся области исследований. Органические светоизлучающие диоды (OLEDs) уже основных технологических элементов освещения и отображает1, и органических фотогальванических начали для достижения эффективности, которые делают их конкурентоспособными с аморфного кремния2. Последние быстрое развитие на основе перовскита устройств для поглощения света и светоизлучающих приложений3,,45 свидетельствует о том, что лоу кост, легко обрабатываемых устройства, вероятно, скоро найти широкое развертывание. Однако все эти технологии страдают от чувствительности атмосферных загрязнителей, особенно влаги и кислорода, что ограничивает их эффективной жизни6,,78,9.
Для исследователей, изучение таких систем может быть полезно иметь камеру адаптируемых, easy-to-use, портативные и многократного использования для защиты таких чувствительных материалов или подвергать их загрязнителей в контролируемым образом10,11. Хотя это можно использовать для описания воздуха чувствительных устройств бардачком, эти крупные, дорого и фиксированной местонахождение, инертных средах могут быть несовместимы с широкий спектр характеристик, которые могут потребоваться. Чтобы обеспечить портативный альтернативных, Риз и др. 10 предложил небольшую камеру металлических основанные на стандартный вакуумный фланец, подходит для электрических и оптических характеристик органических устройств. Мы адаптировали этот дизайн, что делает его дешевле и более универсальным, с помощью 3D-печати для производства компонентов, камеры. Использование 3D-печати, а не механической обработки, позволяет быстрое и экономичное внести изменения образца или экологических требований при сохранении утилита базовой конструкции. В этот вклад мы описать процедуру сделать такой камеры и использовать его для извлечения вольт амперных характеристик органических диод устройства.
Хорошая герметизация органических и перовскит устройства должны иметь WVTRs 10-3 - 10-6 г/м2/день для долгосрочных устройство стабильности12,13, обеспечить мало попадания воды в органических устройство даже в очень суровых условиях. Поскольку эта палата призвана быть контролируемой среде для тестирования целей, а не долгосрочного хранения или инкапсуляция метод, требования к эффективной палата не столь строго. Камеры должны быть в состоянии поддерживать свойства устройства в разумные сроки для выполнения характеристику экспериментов. Стандартная операционная процедура использования пла приводит в камеру, которая может использоваться для нескольких дней или даже недель со встроенным газа потоком, без значительной потери свойств устройства.
Изменение материалов, или даже форму и размер тела камеры может существенно повлиять на проникновения загрязняющих веществ из воздуха в камеру. Таким образом попадания влаги и кислорода должно тщательно контролироваться для каждой конструкции определить эффективность камеры. Мы, Кроме того для изготовления камеры, наброски простую процедуру для определения СПВП камеры, использование коммерчески доступных влажности Датчик, чтобы установить сроки для использования камеры для экспериментов.
Такой простой, но универсальный камеры для нескольких типов экспериментов позволяет выполняться. Они могут выступать в качестве инертной атмосфере сред за бардачком, подходит для электрических и оптических характеристик через порты электрические проходной и окна. Их мобильность позволяет им использовать стандартные электрические характеристики оборудования вне лаборатории, где они были изготовлены, который является полезным циклического испытания на надежность14 или получить Сертифицированный измерения устройства производительность15. Эти камеры также являются особенно полезными для изучения последствий введения загрязняющих веществ для контролируемых деградации тестов, с простыми изменениями. Использование 3D печати позволяет значительного и быстрого приспособляемость для изменения устройства макетов, размеры, или требования к тестированию.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1 3D печати палата частей
Примечание: Все Подготовка принтера, параметры программного обеспечения «срез» и печати параметры были характерных для принтера, указанных в Таблице материалов. Существует широкий спектр 3D принтеры, каждое с их собственным комплектом этапы подготовки и оптимальных параметров. Существует также широкий спектр цветов, возможно для полимерные нити, используемые для печатных частей. Не требуется использовать тот же пластик для каждой части.
- Выберите соответствующие файлы .stl на основе конфигурации желаемого камеры.
Примечание: Эти настройки подробно описаны в Рисунок 1, наряду с сборочному одной конфигурации полный камеры. - Настройка нарезки программное обеспечение для преобразования файлов .stl для .gcode файлов, которые будут читать принтер.
- Скачайте нарезки программное обеспечение, перечисленное в Таблице материалов.
- Выберите принтер в использование путем перехода к другим и найти принтер в использовании.
- Перейдите к настройки > принтер > Управление принтерами > Параметры машины и изменить настройки, как показано на рисунке 2.
- Преобразуйте файл .stl в .gcode файл с параметрами желаемого пользователя с нарезки программным обеспечением.
- Сохраните файл преобразуется .gcode на SD карту и вставьте ее в 3D-принтер.
- Подготовьте 3D-принтер для использования.
- Обложка печати кровать с голубой липкой лентой. Убедитесь, что есть без разрезов, пузырьки воздуха или неровных поверхностей, запустив объекта тип кредитной карты на поверхности.
- Уровень кровати принтер, если необходимо. Этот метод отличается один принтер и может быть исследован.
- Перейдите к печати с SD-карты на дисплее 3D принтера и выберите нужный файл.
Примечание: Принтер будет, во-первых, нагревают его кровать и сопла, а затем начнется печать. - Повторите шаги 1.3-1.6 для каждой части быть напечатаны.
Рисунок 1: таблица конфигурации с видом взорвалась испытательной камеры. () Эта таблица показывает .stl файлы для различных конфигураций камеры. Строки показывают 3D-визуализации схемы вариантов на каждую часть камеры для печати. Столбцы показывают необходимые детали для завершения одной камеры. Обратите внимание, что палата будет иметь либо в нижней или нижней камере с портами газ, не так. (b) этой панели отображаются взорвался CAD печатных камеры для конфигурации теста IV 4-пикселей. Обратите внимание, что кольцо, органических устройство и прокладка KF50-центрирование 3D печати. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 2: параметры 3D принтера. Это скриншот параметры требуется машина нарезки программного обеспечения для создания 3D-печати частей для камеры. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
2 Верхняя палата Ассамблеи
- Добавить с резьбовыми отверстиями в верхней палате (см. Рисунок 3b для получения информации о том, как применять резьбовых вставок).
- 4 отверстия выстукивать 0,404 см в диаметре (размер 21 Империал) на глубину 0,397 см (5/32) в 4 отверстия в нижней части печатных верхней палаты (см. рис. 1a).
- Поместите латуни конические резьбовые вставки с размер резьбы #4-40 (0,248 см в диаметре) в просверленное отверстие меньшего диаметра, вниз.
- Поверните на паяльники. При нагревании до 330-350 ° C, нажмите клавишу наконечник паяльника с резьбовыми отверстиями и применять Номинальное давление как вставка нагревает пластиковых позволяют ему скользить в подготовленные отверстия. Держите давление (обеспечение которое Вставка движется прямо вниз) до верхней грани вставки и нижней лицом верхней палаты являются около 1 мм друг от друга.
- Слегка нажмите на край набрасывания против верхней грани вставки, в то время как пластик еще горячий, чтобы убедиться, что это заподлицо с нижней лицом верхней палаты. Разрешить 1 мин для пластиковых остыть перед продолжением.
- Обеспечить выравнивание вставок, поместив стопорное кольцо через insert и проверку, чтобы увидеть, если отверстия линии. Смотрите Рисунок 3 c.
- Повторите шаги 2.1.2 - 2.1.5 для всех 4 вставок.
- Вставить и нажмите Размер-116 бутил уплотнительное кольцо в круговой паз в нижней части верхней палаты.
- Положите Органические устройство поверх уплотнительное кольцо (см. Рисунок 4 для деталей узоры 2 возможных пикселей).
Примечание: Один органических устройство может состоять из ряда отдельных диодов, которые могут быть измерены независимо друг от друга. Они называются «Пиксели». Шаблоны на рисунке 4 представляют ориентации органических устройства, как он должен быть помещен в верхней палате. Паз на стороне камеры должно быть слева от органических устройство (4-пикселей) или ниже органических устройство (6-пикселей) (по отношению к ориентации знаки на узоры на рис. 4). - В среде с бардачком закрепите кольцо верхней камере путем завинчивания четыре винта потока 4-40 (0,248 см в диаметре, 0.478 см в длину) через стопорное кольцо в резьбовых вставок. Нажмите клавишу устройства между стопорное кольцо и уплотнительное кольцо. Крайняя осторожность, чтобы не трещины устройство путем завинчивания винтов постепенно, идя одной восьмой повернуть каждый проход.
Примечание: Чтобы гарантировать достаточное уплотнение, убедитесь, что кольцо прижимается устройства все вокруг с 15-25% сжатия.
Рисунок 3: Монтаж верхней палаты. () Эта группа показывает разобранного верхняя камера 4-пикселей. (b) Эта группа показано приложение с резьбовыми отверстиями в верхней камере с помощью паяльника. (c) Эта панель показывает компоненты частично собраны лучшие камеры показаны выравнивание стопорное кольцо в верхней палате (Обратите внимание, что кольцо и винты не отображаются для ясности). Различные цвета PLA пластмассы были использованы для печати разных частей; они не влияют на производительность камеры. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 4: возможные устройства Пиксельные узоры для макета ПИН. Эти панели показывают расположение органических солнечных батарей или светодиод устройство, используемое для обозначения позиции контактный штырь для () 4-пиксель и (b) 6-пиксель IV тест камеры конфигурации. Каждый пиксель нумеруется с ссылкой на ориентацию знаков (зеленые звезды) для их правильного размещения в камере. Черные и красные круги представляют катод и анод контактов (то есть, pin-позиций), соответственно. Обратите внимание, что для конфигурации 6-пиксель, Топ два пикселей замаскированы открытия в верхней камере и не пронумерованы как только четыре пикселей могут быть проверены в условиях освещения или выбросов. (c) Эта группа показывает ориентацию 6-пикселя устройства по отношению к 6-пиксель нижней палаты с позиции ПИН указывается. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
- Оставьте собраны лучшие камеры в среде бардачком ≥ 24 h разрешить любой влаги всасывается палатой вырваться из материала. Продолжите выполнение шага 3 во время ожидания.
3. Ассамблея нижней палаты
Примечание: Только следуйте шаг 3.1 Если требуется настройка с нижней палаты с портами потока газа.
- Добавьте нажмите Подключить пневматические соединителей для потока инертного газа в нижней камере с портами потока газа (см. Рисунок 5).
- С помощью крана национальной резьбы трубы (ДНЯО) размером в 1/8 с рукой T-гаечный ключ, коснитесь оба отверстия, расположенные на стороне в нижней камере с портами потока газа. Обеспечить, чтобы отверстие, чтобы задействовать вертикальных и камеры надежно удерживается на месте, место под крана в отверстие.
- Используя T-ключ к крану, медленно поверните ключ по часовой стрелке, обеспечение, что остатки водопроводной вертикальных и выстроились вверх с отверстием как потоки образуются. Каждый 5 поворачивает, поверните ключ по часовой стрелке один полный повернуть и затем поверните еще 5 поворачивает, повторяя до тех пор, пока поток вырезается в нижней части отверстие.
- Обернуть тефлоновую ленту вокруг 2-пневматические push подключение разъемов, упаковочная лента, по часовой стрелке вокруг нити (при просмотре для установки сверху, как он вкручивается в) 2 x.
Примечание: Для получения дополнительной информации, пожалуйста, обратитесь к руководство разговоров машинистов. - Вкрутите пневматический разъемы в резьбовых отверстия, используя гаечный ключ, чтобы затянуть их. Будьте осторожны не перетягивайте и трещины пластик.
- Примените низкого давления эпоксидной вокруг сидящего арматуры. На кусок фольги используйте палку эскимо смешать 2-часть базы смолы с отвердителем часть 1 (оба включены). Эта смесь является эпоксидной смолы.
- С помощью зубочисток, нанести слой эпоксидной смолы в и вокруг пространство между нижней палаты с портами потока газа и фитингов. Разрешить эпоксидной сидеть на 1-2 ч для смола затвердеть при 25 ° C. Для полного отверждения, разрешите эпоксидной на отдых в течение 24 ч при 25 ° C. Убедитесь, что набор смолы белый и прочную отжимано.
Предупреждение: Отвердитель эпоксидных и эпоксидной смолы вызывают ожоги и раздражение глаз и кожи. Эпоксидной может вызвать аллергические кожные или дыхательных реакции. Это может вызвать раздражение дыхательных путей. Это может быть вредным, если всасывается через кожу или проглатывания. Обеспечить достаточную вентиляцию и избегать любого контакта с кожей и одежда. Не дышать в парах. Носите защитные очки и перчатки при обработке эпоксидной смолы. - Подсоедините пневматический push подключение с ручным push подключение клапаны с 2 см кусочки тефлоновой трубопровода. Диаметр труб должен соответствовать то, что требуется соединитель push подключение используется.
Рисунок 5: собраны камеры с портами газ. Эта панель показывает полностью смонтированные камеры, включая нижнюю камеру с портами газ. Порты push подключение газа, встроенных в имеющиеся отверстия в камере прикреплены к трубы с клапанами контроля потока газа для управления введения газа. Обратите внимание, что контакты опущены для ясности. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
- Добавить электрические контакты в нижней камере для текущего измерения напряжения (IV) (см. рис. 6).
- Вставьте 6-7 мм узкий конец ПОГО ПИН в женский конце Кубок припой. Сочетание этих 2 частей известен как контакт PIN-код. С помощью припоя, помогая руками, приостановите обе части контакт pin горизонтально.
- Поверните на паяльники. При нагревании до 330-350 ° C, сенсорных железа в регионе связи между ПОГО pin и припой Кубок.
- По-прежнему Касаясь железа в область, нажмите припой в области связи. Если он достаточно подогревом, припой расплавится. Убедитесь, что есть тонкий слой припоя, охватывающих район между двумя частями весь путь вокруг внешний контакт PIN-код. Убедитесь, что припой гладкая с не шишки. Смотрите Рисунок 6b.
- Вставьте контакт pin 1 отверстия в нижней части нижней палаты. Сдвиньте контакт PIN-код, так что 2,2 см конец Кубок припой торчащий из нижней части нижней палаты.
Примечание: Кубок припой должен торчат нижней части нижней палаты, в то время как пого PIN-код должен быть к внутри в нижней камере. - Для герметизации, охватывают регион, где контакт PIN-кода был вставлен в пластик с низкого давления для применения в вакуумной эпоксидной. На кусок фольги используйте палку эскимо смешать 2-часть смолы с отвердителем часть 1 до тех пор, пока смесь появится единообразного.
- С помощью зубочистки, применяют эпоксидные вокруг контакт pin и отверстие, чтобы исключить возможность попадания воздуха. Разрешить 1-2 ч для смола затвердеть при 25 ° C. Для полного отверждения, разрешите эпоксидной на отдых в течение 24 ч при 25 ° C. Убедитесь, что набор смолы белый и прочную отжимано.
Предупреждение: Отвердитель эпоксидных и эпоксидной смолы вызывают ожоги и раздражение глаз и кожи. Эпоксидной может вызвать аллергические кожные или дыхательных реакции. Это может вызвать раздражение дыхательных путей. Это может быть вредным, если всасывается через кожу или проглатывания. Обеспечить достаточную вентиляцию и избегать любого контакта с кожей и одежда. Не дышать в парах. Носите защитные очки и перчатки при обработке эпоксидной смолы. - Повторите шаги 3.2.1 - 3.2.6 для добавить правильное количество контакты в нижней камере для заполнения отверстий.
- Поместите собрал нижнюю камеру в среде с бардачком и оставить его в течение 24 часов.
Примечание: Это позволит любой влаги всасывается палатой вырваться из материала.
Рисунок 6: полный, собрал нижнюю камеру. () Эта группа показывает собрал нижнюю камеру для конфигурации теста IV 4-пикселя с контакты, сидящих с использованием низкого давления для применения в вакуумной эпоксидной. Коричневый уплотнительное кольцо (KF50)-проставочные кольца прокладки используется для обеспечения обтягивающие с верхней палатой. (b) Эта группа показывает припой Кубок и ПОГО PIN-код после пайки. (c) Эта группа показывает крупный набор эпоксидной, показаны правильные Гостиный контакт PIN-код в нижней палате отверстия. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
4 окончательная сборка
Примечание: Эта Ассамблея должно быть сделано в среде бардачком, после того как собраны верхней и нижней палаты были внутри бардачком ≥ 24 h.
- Прокладка KF50-центрирование можно приложите в нижней камере, как показано на рисунке 6.
- Место верхней палаты в нижней камере, с гладкой стороной вверх верхней палаты и совместите вырезы на обе части камеры для обеспечения надлежащего контакта с органическими устройством. Смотрите Рисунок 1 для представления взорвался весь камеры.
- Закрепите части 2 камеры, вместе с помощью зажима KF50.
- Расстегните wingnut на зажим и поместите зажим вокруг края камеры комбинированных нижней и верхней палаты.
- С помощью вставки Рисунка 7 для четкого представления, твист wingnut, насколько он может пойти для крепления затвора, обеспечивая герметичное уплотнение вокруг 2 половины камер. Отпуск в зале завершенных в бардачком до программного обеспечения был настроен как описано в шаге 5.
Рисунок 7: собран, полный тест камеры. () Эта группа показывает полностью собранный 4-пиксель IV испытательную камеру с литой KF50 зажим, обеспечивая плотное прилегание между нижней и верхней палатой. Врезные показывает другой угол KF50 зажим, закрыт в положении максимальную герметичность. (b) этой панели показана сборка верхней камеры 4-пикселя с стопорное кольцо (Обратите внимание, что кольцо уже закреплено в верхней палате). Другие конфигурации камеры собираются таким же образом. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
5. проведение IV измерения отдельных точек на устройстве
Примечание: В этом разделе описывается процедура, используемая для создания данных, показано в Представитель результаты. Источник измерения единица (СМУ) и Совет испытание силы вставки ноль (ZIF) используется, перечислены в Таблице материалов. Однако может использоваться любой метод подключения камеры к СМУ для сбора данных о ток напряжение. Все шаги IV измерения проводились на машине Windows. «Пиксель» относится к диода на органических устройства.
- Загрузите и установите предоставляемых IDE Python.
- Подключите кабель BNC СМУ 1 канал, расположенный на СМУ ZIF тест Совету.
- Подключите источник питания к СМУ и подключите его к компьютеру через кабель USB 2.0.
- Идентифицировать правильный идентификатор порта/последовательный порт COM, который соответствует подключенного СМУ.
- Для устройств Windows проверьте какой порт COM соответствует подключенных СМУ в Диспетчере устройств. Принять к сведению номер COM.
- Откройте сценарий Python BasicIV.py .
- Вставьте в указанной строке кода в BasicIV.py COM-порт (Windows), как показано на рисунке 8.
Примечание: По умолчанию, программа будет выводить данные в текущем рабочем каталоге.
Рисунок 8: мера IV в Python. Это снимок экрана скрипта Python BasicIV.py с COM порт местоположение указано. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
- В СМУ переключатель диапазона с надписью «2», расположенный вблизи СМУ 1 канал в положение ON . Смотрите Рисунок 9b.
- Удалите полностью смонтированные камеры из среды бардачком.
- Устранить связь между контакты и Совет ZIF тест, с помощью метода выбора (см. Рисунок 9).
Примечание: Для этой установки, Пользовательский адаптер было сделано для преодоления связь между ZIF тест Совет и контакты при выполнении измерений IV. Этот метод может меняться, поскольку соединения являются достаточными и добавить незначительное сопротивление. - Переключитесь землю pin катода и анода контактный BNC для только 1 пиксель в то время, обеспечение и остальные из них включены OFF.
- Запустите BasicIV.py.
Примечание: Когда завершения измерения, файлы результатов и участок V0против я0 будет выпускаться в пути к ранее выбранному файлу. - Повторите шаги 5.10 и 5.11 для каждого пикселя на устройстве с помощью переключателей на пиксель, показанный на рисунке 9 для измерения IV для каждого пикселя.
Рисунок 9: Установка измерения IV. () Эта группа показывает полностью смонтированные камеры соединен с нулевым усилием сочленения (ZIF) тест Совет и источник единицы измерения (СМУ) для тестирования IV измерение. (b) Эта группа показывает диапазон переключатель «2» установить в положение ON правильно подключить устройство к СМУ для измерения. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
6. сборка камеры для тестирования СПВП
- Добавьте влажности внутреннего воздуха Датчик СПВП испытательную камеру для определения СПВП.
- Припой 3 провода датчика влажности внутреннего воздуха, как показано на рис. 10 c: 5 V (красный), Земля (зеленый) и данные (желтый). Убедитесь, что они имеют достаточную длину (примерно 15 см).
- Кормить внутренней влажности датчик провода через отверстия в нижней части нижней палаты СПВП теста.
- С помощью зубочисток, примените низкого давления эпоксидной вокруг провода внутри и снаружи в нижней камере, а также любые отверстия. На кусок фольги используйте палку эскимо смешать 2-часть смолы с отвердителем часть 1 до тех пор, пока смесь появится единообразного.
- Примените эпоксидный вокруг провода и отверстие, чтобы исключить возможность попадания воздуха. Разрешить 1-2 ч для смола затвердеть при 25 ° C. Для полного отверждения, разрешите эпоксидной на отдых в течение 24 ч при 25 ° C. Убедитесь, что набор смолы белый и прочную отжимано.
Предупреждение: Отвердитель эпоксидных и эпоксидной смолы вызывают ожоги и раздражение глаз и кожи. Эпоксидной может вызвать аллергические кожные или дыхательных реакции. Это может вызвать раздражение дыхательных путей. Это может быть вредным, если всасывается через кожу или проглатывания. Обеспечить достаточную вентиляцию и избегать любого контакта с кожей и одежда. Не дышать в парах. Носите защитные очки и перчатки при обработке эпоксидной смолы.
- Повторите шаг 2, чтобы собрать верхняя камера, замена устройства с кусок стекла, тот же размер и толщина как устройство, которое будет ограждающих палата.
Примечание: Если верхняя палата уже собрана, то она может использоваться для этой цели. Поскольку устройство не измеряется, чтобы имитировать условия устройства, кусок стекла используется для герметизации оптических открытия верхней палаты. - Оставьте тест нижней палаты, собранный верхней палаты и KF50-центрирующее кольцо разобранные в кислород- / свободной влаги окружающей среды (бардачком) за 24 ч для обеспечения первоначального состояния внутреннего относительной влажности 0%.
- Повторите шаг 4 для полностью собрать камеры построены для измерения СПВП внутри бардачком, как показано на рисунке 10А.
Рисунок 10: влажность тестирование установки. () Эта панель показывает полностью собранный СПВП тест камеры подключены к внутренней и внешней DHT22 датчики влажности с помощью макетной плате перемычку в микроконтроллер. (b) Эта группа показывает DHT22 датчик влажности внутри СПВП теста дно камеры. Обратите внимание, что провода подаются через в нижней камере и удерживаются на месте с эпоксидной низкого давления. (c) Эта группа показывает схематическое изображение внутренней и внешней влажности Датчик DHT22 и микроконтроллер Совет схема с использованием одного макета (для удобства). Датчик подключен к штифтам микроконтроллер «5 V» (красный) и «Земля» (зеленый) для подачи питания на датчик. Выходные данные от датчика (желтый) подключается к булавки в «DIGITAL» [2 для внутреннего датчика (INT)] и 4 для внешнего датчика (EXT) с 10 kΩ резистор. Врезные показывает DTH22 датчик с проводкой правильный ПИН-код: 5V (красный), Земля (зеленый) и данные (желтый). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
7. проведение измерения влажности для определения СПВП
- Скачать программное обеспечение платы микроконтроллер и любого Python 2.7.12 IDE на совместимый компьютер.
- Откройте файл Python Run_WVTR_Test.py.
- Подключите в микроконтроллер к компьютеру через кабель USB A-B.
- Установка библиотеки, чтобы разрешить вывод данных в электронную таблицу.
- Повторите шаг 5.4 для определения COM количество подключенных микроконтроллера. Скопируйте и вставьте его в код Python, как показано на рисунке 11А.
- Определить нужный путь для необработанных данных таблиц и ввести его в код Python, как показано на рисунке 11А.
- Откройте файл микроконтроллер ARDUINO_HUMIDITY_TESTS.ino.
- На вкладке инструменты выберите соответствующий микроконтроллер в Совет. На вкладке инструменты снова, выберите порт, как определено в шаге 7.5.
- Проверить и загрузить код микроконтроллера для микроконтроллера, нажав на значок в верхнем левом углу окна, как показано на Рисунок 11б.
- Провод цепи, как показано на рис. 10 c; Подключите 5 V (красный), молотый (черный) и сигнал (желтый) провода внешних датчика влажности (EXT) в их соответствующих местах расположения. Внутренний датчик (INT) опустите до шага 7.12, так как он расположен в зале завершено, как показано на Рисунок 10b.
- Удаление собраны камеры с бардачком.
- Немедленно провода внутреннего датчика в камере микроконтроллер Совету, как показано на рис. 10 c.
- Запустите сценарий Python и следуйте инструкциям, которые появляются в консоли Python.
- Введите материал камеры.
- Введите продолжительность в часах. Кронштейн на номер с подчеркивания. Например если 6 h, затем введите «_6_».
Примечание: Тест следует начать и создать .xlsx файлов в папке путь, указанный в сценарии после завершения теста. Не позволяют датчики отключиться от установки. Если это произойдет, необходимо перезапустить тест. Код микроконтроллера для измерения СПВП была адаптирована из программы по умолчанию, предоставляемый поставщиком. Python кода, который выполняется измерение IV был адаптирован от кода, поставляемых изготовителем платы тест ZIF.
Рис: скриншот скорость передачи водяного пара. Эти панели показывают () снимок экрана скрипта Python Run_WVTR_Test.py с (b) COM порт расположение указано. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Ток напряжение измерения:
Эта камера предназначена для тестирования воздуха чувствительных диод устройства, например органической или перовскита солнечных батарей или светоизлучающих диодов. Она может выступать как многоразовые, временные инкапсуляции или как метод введения загрязняющих веществ для тестирования контролируемых деградации. Плотность тока высоковольтные (СП) кривых, показанный здесь были измерены с помощью ZIF тест Совет придает СМУ под темные (то есть, без освещения) и световые условия для извлечения базовых диод характеристики. Соединив контакты из камеры к плате ZIF, каждый пиксель может решаться индивидуально. В примере данных ниже Стандартный нижней палаты, без газа портов, отпечатанных с 50% плотность НОАК пластик был используется для проверки органических солнечных батарей, с помощью конфигурации 6-пикселей. В этих органических устройств «пиксель» относится к отдельным диод, которая может быть измерена с помощью установки измерения. Используя предоставленный Python программ в папке Измерения кода IV (найдены в Дополнительной информации), следующие кривые были достигнуты на один пиксель от органических устройств с архитектурой устройства Ито/PEDOT: PSS/P3HT: PCBM / Др. Детали для производства устройств можно найти в других16.
Рисунок 12 представляет ожидаемый СП кривые одной хорошей рабочей органических фотоэлектрических устройств в темноте и при освещении. Обратите внимание, что для извлечения плотность тока (J), вольт амперных кривых, которые являются выходными из программы Python BasicIV.py были разделены на Площадь измеренной диод. Для нашей диоды это было около 1,2 мм2. На рисунке 12 показано поведение одного диода в камере, с хорошим ПИН контакт с электрода колодки. Все четыре Пиксели, которые являются измеримыми в такой конфигурации показывают подобное поведение. Рабочая органических диод, который не снижается должен показать выпрямляя поведение, низкий сигнал к шуму и экспоненциальный рост в текущем после приложенное напряжение около 1 V в условиях темноты; при освещении он должен иметь аналогичные диода, которые характеристики как в темноте, компенсируется индуцированных фототока2,16. Для сравнения Рисунок 12 также показывает кривые СП для одного пикселя от одного устройства, инкапсулированный с помощью микроскопа над активной области (т.е., красный контур области от Рисунок 4, запечатанный с низкого вакуума герметизации эпоксидной После первоначального испытания в камере). Обратите внимание, что в камере, есть свидетельства высших сопротивления контакта как показано уменьшение коэффициента заполнения17 [кривая становится менее «площадь» из-за склона вокруг короткого замыкания текущего (scJ)18 и открытой цепи напряжение (Voc)]19. Это можно объяснить высоким сопротивлением контакта зонда устройства в зале, по сравнению с устройства, исследовали непосредственно с помощью измерения Совета20. Это должно быть возможным уменьшить сопротивление потерь значительно через лучше пайки и Электромонтаж конструкций. В случае деградированных нефункционирующие или плохо связался органических устройство, мы бы не увидеть диод как кривой, как показано на рисунке 12 c. Такие кривые, как правило, имеют низкий ток измерений, не выпрямляя поведение и высокое соотношение сигнал шум, указанием «шума» или открыть контакт. Короткого замыкания, таких как бы произойти, если было прямых контактов между топ металлическим электродом и Ито электрода на дне, будет продемонстрирована прямой линии склона пропорциональна сопротивлению через контакт (Рисунок 12д).
Рисунок 12: сравнение IV. Эти панели показывают кривых измерения плотности тока высоковольтные (СП) устройство стандартного органических солнечных батарей внутри камеры и то же устройство инкапсулируются и обратиться непосредственно к плате ZIF через встроенный булавки () в темное время суток ( то есть, не под освещение) и (b) под освещение с помощью источника света лаборатории, показаны ожидаемое поведение диода. (c) Эта группа показывает IV измерение кривой стандартного органических солнечных батарей устройства не под освещение показаны деградированных или бесконтактный поведение. (d) группа показывает кривая измерения IV диод короткое замыкание устройства не под освещение. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Эффективность испытаний камеры:
Эта палата призвана действовать в качестве временной, многоразовые стабильной обстановки с контролируемых свойств (включая влажность, введение газа и температуры). Чтобы определить эффективность атмосферных камер, они характеризуются двумя способами: с помощью органических солнечных батарей устройство, используемое для демонстрации вольт амперных испытаний скорость передачи водяного пара, с помощью датчика влажности и устройства деградации измерения в предыдущем разделе.
СПВП тесты:
Одним из важнейших факторов в деградации устройств является проникновение воды в устройство21,22. Для обеспечения долгосрочной стабильности устройство, хорошая инкапсуляции органических устройств должны иметь 10-4 - 10-6 г/м2/день воды попадание12,13. Поскольку эта палата призвана быть контролируемой среде для тестирования целей, а не долгосрочного хранения или инкапсуляция метод, требования к эффективной палата не столь строго. Скорее камеры должны быть в состоянии поддерживать свойства устройства в разумные сроки для данного экспериментального состояния. Основной метод характеризующие попадание водяного пара и использовать время камеры является водяной пар передачи скорость (СПВП)21.
СПВП может принимать различные значения в зависимости от условий, при которых измеряется и единиц, которые используются23. Для целей этого вклада СПВП определяется посредством измерения относительной влажности изменения24, похож на тест гравиметрических Кубок23. Из-за сложности пути попадания влаги в камере, должны использоваться изменения массы водяного пара, достигнув датчик, нормализуется один процент разницы (выраженное в виде дроби от 0 - 1) относительной влажности через границы, адаптировано из метода Баша и др. 25.
(1)
Здесь 
представляет скорость изменения относительно времени массы водяного пара, содержащегося в камере, и 
разница в относительной влажности внутри и за пределами камеры. Такой подход дает единиц для СПВП массы за единицу времени.
В этом уравнении подразумевается предположение, что скорость проникновения паров воды пропорциональна относительной влажности разница между внутри и за пределами камеры. Это предположение приводит к следующим дифференциальное уравнение:
(2)
Здесь 
является объем камеры, (почерпнуто из 3D-моделей), и 
записывается насыщения плотность водяного пара при температуре во время теста.
Решение этого уравнения и подставляя его в первоначальное состояние 0% влажности в камере (обеспечивается оставляя камеру в бардачком > 24 h), руководящих уравнение этих экспериментов, как показано ниже, можно найти.
(3)
При проведении теста влажность, относительная влажность чтениях были приняты одновременно с внутри и снаружи камеры 3D-печати. После того, как эти данные был скомпилирован, он был заговор против времени, t, как показано на рис. 13А. Линейная регрессия использовалась для расчета СПВП от склона лучших подходят линии.
В этом тесте был использован 50% плотность печати 3D-печатные пластиковые НОАК. Тест выполнялся в течение 4 ч, что приводит к СПВП 270 мкг/день (R2 = 0.985). Это высокая, по сравнению с требованиями хорошее органическое устройство герметиком12,13, но это достаточно, чтобы свести к минимуму ухудшение состояния устройства для электрические испытания длится несколько часов21 (см. следующий раздел, устройства Деградации тест). Напротив, утечка камеру, как показано на рис. 13b имел СПВП 855 мкг/день (R2 = 0,99).
Скорость, с которой влаги входит камера определяется коэффициент диффузии наиболее проницаемых материалов23. Предполагая, что же герметизации условия, различные материалы для стен камеры принесет различные значения СПВП. Результаты за несколько представительных материалов и условий кратко излагаются в таблице 1. Типичный PLA палата имеет высокий СПВП чем эквивалент камеры, обработанные из металла10. Предполагая, пропорциональной взаимосвязи между деградацией СПВП и устройства, мы можем оценить время хранения до 80% потери первоначального производительности (T80)6,8 для тестирования устройств, с помощью этой камеры как базовый уровень для влаги степень уплотнения. Это может дать приблизительную оценку времени юзабилити для камеры в данной конфигурации. В таких условиях 50% плотность PLA камеры должны быть в состоянии хранить образец без существенных потерь для около 3 дней. Это контрастирует с истинной инкапсуляцией, где значительные производительности наблюдалась после более чем двух недель хранения в условиях окружающей среды.
Это также возможно расширить окно использования времени для камеры, пропуская инертного газа, таких как N2. В такой конфигурации, СПВП для камеры PLA 50% сократилось до ниже предела обнаружения датчика (см. рис. 13b). С минимальным обнаружения ~ 0,1% относительная влажность изменение, которое предполагает СПВП менее 0,13 мкг/сутки, с значительным увеличением сметных хранения времени. Однако предыдущие исследования показали10,27 , которые образцы у бардачком T90 около 6 недель. Как эта конфигурация камеры потока газа сопоставима с бардачком среде инертного газа, это более вероятно, верхняя граница для хранения проб. Для определения более точной мерой СПВП для такой низкий уровень попадания воды, следует использовать более чувствительным тестом таких испытаний электрических кальция28 дать более точную оценку.
Если дальнейшие испытания палат, датчик кислорода могут быть помещены в камеру и уровень кислорода может контролироваться со временем дать скорость передачи кислорода (OTR), который можно сравнить с СПВП.
| Материал | DRHint (общая продолжительность теста) | СПВП (мг/день) | Расчетное устройство хранения времени (дней) |
| 50% плотность пла | 1.80% | 271 ± 30 | 3.3 |
| 50% плотность PLA (утечка) | 4.70% | 855 ± 90 | 1 |
| 50% плотность НОАК с N2 потока | < 0.1% | < 0.130 | > 7000 |
| Водостойкий полимер | 9,00% | 3064 ± 300 | 0.29 |
| Металл 1 | -- | 90 * | 10 |
| * исправлены для внешних относительная влажность | |||
| 1 Риз, и др [10] | |||
Таблица 1: результаты несколько представителя материалы для герметизации условий и стены камеры. Эта таблица иллюстрирует общее изменение внутренней относительной влажности воздуха и водяного пара скорость передачи для камер различных материалов и в различных условиях.
Рисунок 13: скорость передачи водяного пара участков. () Эта группа показывает изменения относительной влажности используется для определения СПВП, используя уравнение 3. Зависимой переменной является unitless натуральный логарифм коэффициента относительная влажность (RH) внутренних и внешних датчиков, заговор против времени (см. уравнение 3 Представитель результаты). Наклон линии сокращение площади линейной регрессии пропорционален СПВП, сообщается в таблице 1 (R2 = 0,99). (b) Эта группа показывает изменения относительной влажности воздуха 50% PLA 3D-печати камеры в различных условиях. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Деградации тест устройства:
Чтобы проверить ухудшение в производительности устройства под непрерывной работы, диоды электрически подчеркивались каждые 5 мин от -5 до 5 V, для записи темного текущего ответа как вольт амперных кривой. На рисунке 14 показано, что сравнение между изменением в течении 4 V для устройства протестированы внутри камеры по сравнению с Стандартный инкапсулированные диод. Из-за увеличения сопротивления устройство в камере имеет несколько ниже начальный ток, чем инкапсулированные устройства. Для обоих устройств первоначальное увеличение тока наблюдается в течение первых 50 мин. После того, как достигается максимальный ток около 50-60 мин, есть инверсии в текущем кривых и ток начинает уменьшаться. Это ожидаемое поведение для этого типа устройств, как формирования тонкой оксид прослойка в топ контакта электрода первоначально улучшает характеристики интерфейса между металлом и органических полупроводниковых6. Этот эффект гораздо более выражен в устройстве в камере, предлагая большую и более стремительную окисления. Это подчеркивает, что палата не предназначен в качестве замены для инкапсуляции для длительного хранения, но портативный контролируемой среде, который может использоваться для измерения изменения свойств устройства. Добавление портов газ с течет инертных газов, которые уменьшают СПВП, скорее всего, улучшить стабильность устройств внутри камеры.
Как устройство далее подчеркнул, активный слой начинает ухудшаться из-за различных взаимодействий6,,78,22. Оба устройства Показать около 0,3 - 0,4 МКА/мин потери тока как измерение доходов, хотя опять же, Камера показывает более высокий уровень деградации. Это подчеркивает, что устройство внутри измерительной камеры ведет себя соответствующе инкапсулированные устройство электрической нагрузке. Как показано на рисунке 14, распад кривых, основанный на нормализованной текущего изменения со временем, предлагает T80 для непрерывного использования, который подобен для двух устройств (26 h против. 30 h), хотя немного длиннее для инкапсулированные устройства.
Рисунок 14: оперативная устройство деградации. () Эта группа показывает измеренные Темновой ток 4 V для IV измерений каждые 5 минут для устройства стандарта органических солнечных батарей. (b) Эта группа показывает нормализованных темный текущий распада кривые в 4 V, я яo, где яo является начальный ток. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
В кривой распада необработанных данных для инкапсулированные органических устройства (рис. 14А) резкое снижение наблюдается между первой и второй измерения в течение 5 мин. Это снижение не наблюдается для органических устройства протестированы в камере. Это, вероятно, является результатом того, что он занимает больше времени, чтобы собрать органических устройство внутри камеры и прикрепить его к плате ZIF, тогда как инкапсулированные устройство можно непосредственно измерить сразу после удаляется из среды бардачком.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Важнейшие шаги в воссоздании этот эксперимент включают печать камеры, чтобы избежать трещин, разрывов или бедных в заполнения характеристики, которые могут уменьшить СПВП, герметизации камеры для предотвращения любого проникновения влаги и кислорода, затянув зажим KF50 для достичь полной герметизации между верхней и нижней палат, с помощью вакуум номинальная низкого давления эпоксидной вокруг контакты или любой проходные соединители для предотвращения любой утечки и создание уплотнительной прокладки между образцом и верхняя палата, с помощью правильного размещения уплотнительное кольцо и достаточное давление с стяжные винты на стопорное кольцо для предотвращения любой утечки без трещин образец. Уплотнительное кольцо должна соответствовать полностью в паз, без заусенцев или твердых частиц и должны быть сжаты между 15-25% его сечения, для адекватного печать10. Важно также проявлять осторожность при присоединении контакты к корпусу камеры как обеспечить хороший электрический контакт и предотвращения пути от проникновения влаги и кислорода через низкого давления эпоксидной смолы. Эпоксидной смолы, оценивается как герметик для вакуумной приложений обеспечит достаточное уплотнение. Важно подключить контакты измерения Совету для сведения к минимуму любые потери сопротивления серии во время IV измерений. Храните камеру в инертной среде например, бардачок для по крайней мере 24 часа перед использованием убедитесь, что любой влаги всасывается палатой успел сбежать из материала. Это особенно важно, если палата был сохранен для более чем на несколько дней при температуре окружающей среды в открытой среде. Не рекомендуется для обогрева камеры для ускорения процесса дегазации, чтобы избежать размягчения стенок камеры и риск рушится структура на камере.
Некоторые общие проблемы могут возникнуть при воссоздании этого эксперимента. Как камера использует уплотнительным прессованная прямо на испытуемого образца, вместо того, чтобы полностью герметичной камере, можно взломать образца при чрезмерной силы используется при монтаже стопорное кольцо. Кроме того частицы на уплотнительное кольцо или в паз или заусенцев на любой из герметизации швов может предотвратить хорошее уплотнение, в дополнение к растрескиванию образца после монтажа10. Тщательной очистки уплотнительное кольцо и суставов перед монтажом кольцо имеет важное значение.
Важно также избежать плавления камеры во время отверждения эпоксидной. После применения эпоксидной смолы для обеспечения ПОГО контакты в нижней камере, воздерживаться от применения тепла, чтобы ускорить процесс сушки. Это приведет к плавления 3D-печатный материал и следовательно в обезображивание камеры.
Использование неадекватной электрические соединения между контакты и тест Совет является серьезной проблемой. Плохого припоя, длинный провод подключения или датчике слишком толстая проволока может привести к значительным, избежать снижение производительности устройства из-за сопротивления потерь, которые происходят вдоль электрические соединения между палата и Совет тест. Рекомендуется всегда делать инкапсулированные органических устройство как ссылку для проверки качества соединения за пределами камеры, когда проводка новая палата. Высокое сопротивление потери, вероятно, если устройство в камере показывает порядков меньше Темновой ток или значительный наклон вокруг текущего короткого замыкания18 (т.е., яsc, вокруг V = 0) и открытой цепи напряжения19 (т.е., Voc, вокруг я = 0). Эти эффекты являются показано на Рисунок 15, где использование толстые длинные провода для подключения неподдерживаемый камеру к плате измерения сравнивается с воротником поддержки с внедренных соединений. Как видно, использование поддержки воротник привело к увеличению Темновой ток двух порядков (Рисунок 15a) и к увеличению коэффициента заполнения17 от 22,7% до 34,6%. Это может быть возможность дальнейшего снижения сопротивления потери через лучше пайки и Электромонтаж конструкций.
Рисунок 15: сравнение HiRs IV. Эти панели показывают электрических измерений для устройств с бедных и хорошие контакты: () темный ток напряжение измерения и измерения вольт амперных (b) при освещении. Врезные фотографии представляют бедных электрические контакта конфигураций (черная граница на левой стороне) и хороший электрического контакта (красная граница на правой стороне) подключить контакты из камеры на тест Совет измерения. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Использование третьего руку паяльные станции, зажимы, и крокодил для обеспечения припой Кубок и ПОГО ПИН будет пайки Контакты проще, предотвращая любой плохой пайки контакты. Убедитесь, что шарик припой, применяют наружно для ПИН и Кубок не является слишком большим; в противном случае он не будет соответствовать встроенных в через отверстия в нижней камере. Припой должно уделяться внешней pin, как пайки внутри вызовет припой войти весной и сделать невозможным использование ПИН-кода. Проверьте электрическое подключение через ПИН-код и Кубок с помощью мультиметра.
При пайке внешних проводов для DHT22 датчик температуры и влажности, могут быть трудности результате точностью, требуемой связи как узкие контакты, приводит к плохой пайки проводов датчика. С помощью третьей руку паяльные станции или любой зажимы и крокодил будет оказывать помощь в обеспечении датчик и провода на месте. Обратите внимание, что позиционирование паяльник слишком близко к базе ПИН на датчик для длительного периода времени может сжечь ПИН, заставляя его падать.
Существует два основных ограничения на общий подход, предложенный здесь с помощью 3D-печати атмосферной камере. Во-первых, что СПВП значительно выше для камеры пла печатных 50%, чем это было бы для эквивалентной камеры, вырезаются из металла. Таким образом, чтобы уменьшить СПВП, две модификации существуют для камеры дизайн, который может увеличить время использования камеры: пропуская инертного газа и осушитель скважин. Чтобы пропускать инертного газа, может использоваться в нижней камере с конфигурацией портов газ конструкция камеры. СПВП существенно уменьшилось до менее чем 0,13 мкг/день в такой конфигурации. Для размещения осушители, в нижней камере имеет три скважины вокруг проходные отверстия. Эти скважины могут быть заполнены стандартной влажности или кислорода геттеры поглощать газы, которые камеру. Риз и др. 10 обнаружено достаточно уменьшить СПВП металла камер до 0,5 мкг/день для-площади высокой поверхности геттеры смешанных мг и drierite (оба Стандартный лабораторный осушители).
Второе ограничение, что камеры, с помощью булавки ПОГО и электрические соединения для измерения Совет, всегда показывает выше сопротивления контакта потери, по сравнению с инкапсулированным эквивалентное устройство. 12б рисунке это поведение для устройства в зале, по сравнению с того же устройства инкапсулируются и обратиться непосредственно к плате тест ZIF. Это может иметь последствия для интерпретации характеристик устройства. Необходимо приложить все усилия к тому, чтобы ограничить потери такого характера путем надлежащей проводки и пайки. Как показано на рисунке 15, это позволяет значительно сократить потери путем улучшения проводки соединения между палата и Совет тест ZIF. Использование пользовательских 3D-печати воротник, встроенный с медных проводов, которые помещаются непосредственно в Совет тест ZIF, производительность устройства был значительно улучшились. Дальнейшие улучшения можно лучше конфигураций подключения или с другими советами тест.
Дополнительные ограничения для конструкции камер, указанных в настоящем Протоколе, но могут быть решены путем исследователи, приняв проекты для их собственного использования, изменив настройки камеры. Любые органические устройства протестированы с камерами как указано, предоставленных файлов CAD (как указано на рис. 1) ограничены размером до 40 мм в диаметре. Общая активную область, которая может быть освещен также ограничивается размер окна в верхней палате. 6-пиксель дизайн требует овальную форму для верхней палаты, открытие которого блоков, два пикселей, в то время как дизайн 4-пиксела имеет все пиксели, подвергаются в круг 18 мм.
Этот протокол определяет подход для построения и тестирования небольшие портативные камеры, основанный на оригинальный дизайн Resse et al. 10. Мы адаптировали этот дизайн, что делает его дешевле и более универсальным, с помощью 3D печать для производства компонентов, камеры. Значимость в отношении других протоколов заключается в своей простоте, адаптируемости и доступности. Использование 3D печати вместо того, чтобы обработка позволяет быстрое и экономичное внести изменения образца или экологических требований при сохранении утилита базовой конструкции. В этот взнос у нас есть предлагаемые три вариации камеры, которые могут быть произведены, включая различные пикселей макеты для органических устройств и портов входящего потока различных газов. Низкая стоимость и скорость производства, с использованием 3D печати позволяют исследователям быстро изменять дизайн для удовлетворения их собственных целей, включая различные пикселей макетов, размеры масштабированных устройств, дополнительных портов и дополнительные датчики.
Главная причина использования 3D печать для этой камеры был для увеличения гибкости конструкции камеры для удовлетворения конкретных потребностей пользователей. Это по сути подразумевает, что изменения могут быть легко сделаны с учетом конкретной цели, от масштабирования для крупных органических модуль или устройства конструкции, добавляя различные измерения функциональных возможностей, для изменения структуры органических устройства, предоставляя широкий спектр будущего приложения. Мы предлагаем два возможных изменений, расширяющих использование этих камер еще больше. Они включают в себя способность изменить макет устройства и для контроля температуры.
Чтобы изменить устройство разметки, как показано выше для конфигурации камеры 4 - и 6-пиксель, показано на рис. 1 и рис. 4, палата может быть легко адаптирована для различных органических устройства пиксель макеты, с использованием САПР файлы, доступные в Дополнительная информация. Расположение электрических проходные отверстия в нижней камере должна быть тщательно вновь разработанные для размещения соответствующих органических устройства конфигурации. Обратите внимание, что стопорное кольцо перекрывается с углами органических устройства для того, чтобы закрепить его в верхней камере, и, таким образом, электрические соединения не должны быть помещены в этих областях. Верхняя палата имеет отверстие чтобы для поглощения/излучение света устройством. Любые органические устройства протестированы с этой камеры является, таким образом, ограничивается активный материал в регионе не за пределами этой области. 6-пиксель дизайн требует овальную форму для верхней палаты, открытие которого блоков, два пикселей, в то время как дизайн 4-пиксела имеет все пиксели, подвергаются в круг 18 мм. Необходимо принять для обеспечения того, чтобы паз достаточно глубоко, чтобы вместить новое уплотнительное кольцо при необходимости. Риз и др. 10 указывают, что кольцо должно быть сжаты между 15-25% его сечения для надлежащего уплотнения. Некоторые файлы CAD для верхней и нижней палат без конкретных дизайна также включены в Дополнительную информацию для помощи в разработке их собственных дизайн любой исследователь.
Как Камера дизайн основан на стандартных вакуумных фитинг а KF50-центрирование прокладка-обеспечить хорошее уплотнение между верхней и нижней палат, хорошо подходит для размещения устройства меньше, чем 40 мм в диаметре. Масштабирование до больших размеров можно, используя другие коммерчески доступных вакуум фланец конфигураций, таких как серии ISO, который использует тот же центрирование прокладка дизайн. Использование коммерчески доступных печать, которая протестирована и сертифицирована делает его легко собрать камеры без любой заботы для целостности печать10неоднократно. Если дизайн должен быть изменен для включения больше пространства, имейте в виду, что увеличение размера камеры также увеличивает передачи водяного пара и кислорода.
Любые испытания органических устройств вообще не включать контроля температуры во время IV характеристика14. Как сильно зависит от температуры6,,78органических устройств производительность и стабильность, это может привести к существенной проблемой сопоставимости и воспроизводимость сообщил лабораторных испытаний результаты14. Попытки установить стандартные протоколы испытаний для органических устройств29,30 предполагают, что измерение температуры и контроля должна включаться в любые электронные тестовой конфигурации. Для решения этой проблемы, атмосферные камеры имеют два изменения.
Во-первых, термопары зонд проходной, уже реализована в доступные конструкции как дополнительного контакта штифт в центре устройства (см. синие точки на рис. 4). Хотя он находится в центре для минимизации неточностей в пиксель в пиксель температуры от градиентов через устройство, термопара также могут быть перемещены, в стопорное кольцо так, чтобы не мешать электрических измерений. Низкая теплопроводность PLA означает, что такие изменения могут потребовать использования металла для стопорного кольца.
Во-вторых, для метода для контроля температуры, является термоэлектрического охлаждения/нагрева кольцо применяется к верхней палаты. Керамический патрон нагрева/охлаждения кольцо может применяться с внешней верхней палаты выделяют или рассеивания тепла, как показано на рисунке 16. Кольцо может использоваться для нагрева или охлаждения просто поменяв на стороне, на камере. Из-за низкой теплопроводности НОАК этот метод эффективен только для весьма термопроводящие верхней палаты материалов, как металл.
Рисунок 16: взорвался зрения камеры с охлаждением. Эта панель показывает сборочному палата Ассамблеи тест с охлаждающее кольцо и размещения теплоотвода, показаны синим цветом. Обратите внимание, что для достижения оптимальной производительности, стержень радиаторами следует поместить все вокруг диаметр кольца, не только два показаны здесь для ясности. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Эффективно рассеивать тепло, блок радиатора и вентилятор должен также использоваться в ходе операции. Для обеспечения оптимальной производительности поглотителей тепла должен располагаться вокруг охлаждения кольцо, чтобы максимизировать площадь. Может использоваться любой Вентилятор, хотя сильнее болельщиков будет обеспечивает более высокую производительность. Применение охлаждения кольцо и радиатором может быть сделано с термопроводящие эпоксидной смолы. Хотя большинство эпоксидной могут быть удалены с помощью ацетона, убедитесь, эпоксидной может быть удален из радиаторов и кольцо до приложения, если требуется.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Авторы не имеют ничего сообщать.
Acknowledgments
Авторы признают, Питер Jonosson и Лионе новых медиа центр для 3D-печати палат. Это исследование было поддержано 436100-2013 RGPIN, ER15-11-123, МакМастер Дин из инженерной студентов летних исследований награду и Undergraduate исследований возможностей программы.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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).
- ASTM International. 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).
- Castro, F. Current landscape of standardisation efforts in organic and printed electronics 2015 - a VAMAS review. , National Physical Laboratory. Available from: https://www.researchgate.net/publication/278035615_Current_landscape_of_standardisation_efforts_in_organic_and_printed_electronics_2015_-_a_VAMAS_review (2015).
