Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

In situ Græsning Incidens Lille Vinkel X-ray Spredning på Roll-To-Roll Coating af organiske solceller med Laboratory X-ray Instrumentering

Published: March 2, 2021 doi: 10.3791/61374
Automatic Translation
1, 1, 1, 1, 1, 1
1Department of Energy Conversion and Storage, Technical University of Denmark

Summary

Dette papir er en demonstration og en retningslinje til at udføre og analysere in-house (med et laboratorium X-ray instrument) in situ GISAXS eksperimenter med tørring blæk på roll-to-roll slot-die belagt, ikke-fullerene organisk fotovoltaics.

Abstract

Vi præsenterer en in-house, in situ Græsning Incidens Small Angle X-ray Scattering (GISAXS) eksperiment, udviklet til at sonde tørring kinetik roll-to-roll slot-die belægning af det aktive lag i organisk fotovoltaics (OPVs), under deposition. Til denne demonstration er der fokus på kombinationen af P3HT:O-IDTBR og P3HT:EH-IDTBR, som har forskellige tørrekinetik og enhedsydelse, på trods af at deres kemiske struktur kun varierer lidt ved sidekæden for den lille molekyle acceptor. Denne artikel indeholder en trinvis vejledning i at udføre et IN SITU GISAXS-eksperiment og demonstrerer, hvordan du analyserer og fortolker resultaterne. Normalt er udførelsen af denne type in situ røntgeneksperimenter for at undersøge tørrekinetik i det aktive lag i OPV'er afhængig af adgang til synkrotroner. Men ved at bruge og videreudvikle den metode, der er beskrevet i dette papir, er det muligt at udføre eksperimenter med en grov tidsmæssig og rumlig opløsning, på daglig basis for at få grundlæggende indsigt i morfologien af tørre blæk.

Introduction

Organisk solceller (OPV'er) repræsenterer en af de mest lovende nye solcelleteknologier. OPV'er kan muliggøre storstilet produktion af en omkostningseffektiv vedvarende energikilde baseret på ikketoksiske materialer med bemærkelsesværdige korte energiredler1. Den fotoaktive del i OPV'er er et ca. 300-400 nm tykt lag af ledende polymerer og molekyler, som kan udskrives med en hastighed på flere meter i minuttet ved roll-to-roll belægningsteknikker1. Denne tyndfilmsteknologi er fleksibel, farverig og let, hvilket åbner stier til nye solenergimarkeder, såsom Internet-of-Things, bygningsintegration, dekorative installationer og hurtig installation / afinstallation i meget stor skala2,3,4,5. Desuden består OPV'er udelukkende af rigelige og ikketoksiske elementer, som gør dem begge billige at producere og genanvende. Derfor får denne teknologi stigende opmærksomhed fra industrien og den akademiske verden. Der er gjort en enorm indsats for at optimere hvert lag i den komplette stak, der udgør den organiske solcelle, og der er gjort en masse teoretisk og eksperimentel forskning for at forstå den underliggende fysik i OPV'er6,7,8. Den enorme interesse for teknologien har skubbet feltet til sin nuværende tilstand, hvor mester enheder fremstillet i laboratorier overstiger 18% effektivitet9. Opskalering af fabrikationen (dvs. flytning fra spin-coating på stive substrater til skalerbar deposition på fleksible substrater) ledsages imidlertid af betydelige tab i effektivitet10. At bygge bro over denne kløft er således altafgørende for OPV'er at blive konkurrencedygtige med andre kommercielt tilgængelige tyndfilms solcelleteknologier.

OPV er en tyndfilmsteknologi, der består af flere funktionelle lag. I denne demonstration er fokus udelukkende på det fotoaktive lag. Dette lag er især vigtigt, da det er her fotonerne absorberes, og fotostrømmen genereres. Det fotoaktive lag består typisk af mindst to bestanddele, nemlig en donor og en acceptor. Her er der fokus på donorpolymeren P3HT i kombination med enten O-IDTBR eller EH:IDTBR som acceptor11med de kemiske formler som vist i figur 1. Det optimale design af det fotoaktive lag beskrives som et bulk heterojunktion (BHJ), hvor forbindelserne blandes i hele enheden, som vist i figur 2. BHJ opnås ved slot-die belægning af en blæk bestående af donoren og acceptoren i opløsning10. Mens det våde blæk belægning på substratet, opløsningsmiddel molekyler fordampe, hvilket efterlader donor og acceptor i en blandet tilstand. Fordelingen af donor/acceptor med hensyn til faseadskillelse, orientering, bestilling og størrelsesfordeling kaldes almindeligvis BHJ's morfologi. Morfologien af det aktive lag spiller en væsentlig rolle i solcelleydelsen på grund af arbejdsprincippets karakter4,12. Arbejdsprincippet er illustreret i figur 2 og kan beskrives i fire trin: For det første absorberes en indkommende foton og ophidser en elektron fra den højeste besatte molekylære orbital (HOMO) til den laveste ubesatte molekylære orbital (LUMO). Hullet (en ledig tilstand i HOMO) og den ophidsede elektron er bundet sammen. Dette bundne elektronhul-par kaldes en exciton. For det andet er exciton fri til at bevæge sig rundt, og den omtrentlige gennemsnitlige frie vej før rekombination er 20 nm6. For det tredje, når exciton er i nærheden af en grænseflade mellem donor og acceptor, er det energisk gunstigt at adskille i en fri elektron i LUMO af acceptoren og et frit hul i HOMO af donoren. For det fjerde, hvis enheden er tilsluttet et kredsløb, vil afgifterne derved blive transporteret til anoden og katoden. For at forbedre funktionaliteten af OPV'er skal morfologien optimeres til at rumme hvert af de fire trin for at sikre, at BHJ absorberer så mange af de indkommende fotoner som muligt og genererer så mange bevægelige opladninger som muligt. Det store videnskabelige spørgsmål om den optimale morfologi forbliver.

Dette er stadig et åbent spørgsmål, og proceduren for optimering af morfologien for en bestemt kombination af donor og acceptor udføres indtil videre ved trial and error. Optimale belægningsforhold for blandingen P3HT:O-IDTBR og P3HT:EH-IDTBR er blevet rapporteret13,14. Lignende eksperimentelle parametre blev brugt her til at forberede både P3HT:O-IDTBR og P3HT:EH-IDTBR roll-coated på et fleksibelt substrat ved 60 °C, som beskrevet af Kuan Liu et al.15. De roll-coatede OPV'er har en omvendt struktur16 og er fremstillet på fleksible substrater uden indium tinoxid (ITO-fri), med strukturen PET/Ag-grid/PEDOT:PSS/ZnO/P3HT:O-IDTBR eller EH-IDTBR/ PEDOT:PSS/Ag-grid, hvor lyset kommer ind gennem PET-substbr- eller EH-IDTBR/PEDOT:PSS/Ag-nettet, hvor lyset kommer ind gennem PET-substbr- eller EH-IDTBR/PEDOT:PSS/Ag-nettet, hvor lyset kommer ind gennem PET-substbr- eller EH-IDTBR/PEDOT:PSS/Ag-nettet, hvor lyset kommer ind gennem PET-substratet. PEDOT:PSS er en forkortelse for poly(3,4-ethylendioxythiophen) polystyrensulfonat, og PET er poly(ethylenterephthalat). Efter fabrikation skæres den endelige stak til små solceller med et fotoaktivt område på 1 cm2.

Standard midler til at karakterisere resultaterne af solceller omfatter måling af den aktuelle tæthed vs spænding (J-V) kurver og den eksterne kvante effektivitet (EQE) spektre. For både P3HT:O-IDTBR og P3HT:EH-IDTBRvises resultaterne i figur 3 og tabel 1. Den lave 2,2% PCE af P3HT:EH-IDTBR solcellen skyldes dens lavere kortslutningsstrøm (JSC), som delvis er begrænset af seriemodstanden (Rs) på 9,0 Ω,cm2 sammenlignet med P3HT:O-IDTBR på 7,7 Ω,cm2. Spændingen i det åbne kredsløb (VOC) er den samme i begge enheder (tabel 1), som afspejler de to acceptorers elektroniske lighed. Det fotovoltaiske båndgab i P3HT:O-IDTBR- og P3HT:EH-IDTBR-solcellerne er henholdsvis 1,60 eV og 1,72 eV i overensstemmelse med de optiske egenskaber, der observeres af rødforskydningen i EQE, og som er rapporteret af Enrique P. S. J. et al.13. Normalt skyldes en rødforskydning en mere krystallinsk struktur, og det forventes derfor, at O-IDTBR har en højere grad af krystallinitet end EH-IDTBR for de specifikke belægningsforhold. Den forbedrede JSC af P3HT:O-IDTBR solcelle er til dels på grund af sin bredere spektrale absorbans og enheden forarbejdning forbedringer. De integrerede EQE-strømme for EH-IDTBR- og O-IDTBR-baserede enheder er 5,5 og 8,0 mA/cm2 under 1 solbelysning som vist i figur 3. Fra EQE-profilerne kan det ses, at 1:1-masseforholdet er tæt på ideelt til P3HT:O-IDTBR, men ikke er optimalt for P3HT:EH-IDTBR. Forskellene i enhedens ydeevne kan delvis forklares ved tilstedeværelsen af pinholes i P3HT:EH-IDTBR-filmen, mens P3HT:O-IDTBR ser glat ud som vist i figur 4. Pinholes i P3HT:EH-IDTBR materialesystemet er dækket af det efterfølgende PEDOT:PSS-lag under solcellefremstillingen, hvilket forhindrer kortslutning af enhederne. Desuden er acceptorernes sidekæder henholdsvis lineære og forgrenede, hvilket får deres opløselighed til at variere og dermed deres tørre kinetik. Man kan bruge en mini roll-to-roll coater til at undersøge tørrekinetik under belægning, som efterligner de samme belægningsforhold isolcellefremstillingen 17, som det først blev demonstreret i 201518.

Her præsenterer vi anvendelsen af en forbedret mini roll-to-roll slot-die belægning maskine til at udføre in situ GISAXS eksperimenter, at sonde morfologi af tørring blæk til OPVs med en in-house X-ray kilde. GISAXS er den foretrukne metode til at undersøge størrelses-, form- og orienteringsfordelingerne i eller på tyndfilm19. Når du udfører et GISAXS-eksperiment, indsamles de spredte røntgenstråler, der undersøger prøven, på en 2D-detektor. Den udfordrende del er at vælge den rigtige model til at hente de ønskede oplysninger fra den prøve, der undersøges. Derfor er forudgående oplysninger om prøvestrukturen afgørende for at vælge en passende model. En sådan viden kan opnås fra atomare kraftmikroskopi (AFM), transmissionselektronmikroskopi (TEM) eller molekylære dynamiksimuleringer7. Her vil vi præsentere hvorfor og hvordan man anvender rammerne for Teubner og Strey20 til at modellere de data, der er opnået fra in situ GISAXS-eksperimenterne for at hente størrelsesfordelingen af domænerne inde i blækket til BHJs under tørring. Der er to fordele ved at bruge en mini roll-to-roll coater. For det første efterligner det den store produktion 1:1; Derfor er vi sikre på, at enhedens ydeevne og aktive lag kan sammenlignes direkte. For det andet, ved hjælp af denne metode, er vi i stand til at have nok frisk blæk i strålen til at tillade en in situ eksperiment med et laboratorium X-ray kilde. Metoderne til at udføre og analysere morfologien af tyndfilm med GISAXS har udviklet sig hurtigt i løbet af det sidste årti18,21,22,23,24,25,26,27,28. Normalt, når du udfører et in situ GISAXS-eksperiment for at undersøge tørring af kinetik af det aktive lag i OPV'er, er der brug for en synkrotronkilde18,26,27. Synkrotronstråling foretrækkes generelt frem for en intern røntgenkilde til at udføre et sådant eksperiment for at give bedre tidsopløsning og bedre statistikker. Synkrotroner er dog ikke tilgængelige på daglig basis og kan ikke justeres, så de passer til en produktionslinje, derfor kan en intern røntgenkilde tjene som et nyttigt hverdagsværktøj til optimering af blækformuleringer, belægningsforhold og for at få grundlæggende indsigt i fysikken i tørring af kinetik. Den største ulempe ved at bruge en intern røntgenkilde er materialeforbruget. Da strålernes flux er mindst fem størrelsesordener mindre end ved en synkrotron, er der brug for mere materiale for at opnå tilstrækkelig statistik. Derfor er denne teknik endnu ikke egnet til ny materialeopdagelse, hvor kun små mængder materialer er tilgængelige. For materialer, der er billige og nemme at syntetisere, hvilket også er en dominerende faktor for skalerbarhed29, vil denne metode være fordelagtig i forhold til brugen af synkrotroner i forfølgelsen af at lukke effektivitetskløften for store roll-to-roll coatede OPV'er10,30.

Denne artikel vil guide læseren gennem udførelse in situ GISAXS eksperimenter til sonde tørring kinetik af blæk, der gælder for storstilet produktion af OPV'er. Et eksempel på datareduktion og analyse præsenteres sammen med en diskussion af forskellige modeller til fortolkning af dataene.

Protocol

Denne protokol er opdelt i fem underafsnit. For det første præsenteres en procedure for forberedelse af blæk. For det andet beskrives proceduren for tilberedning og udførelse af roll-to-roll slot-die-belægning. For det tredje præsenteres en trinvis vejledning til udførelse af et in situ GISAXS-eksperiment. For det fjerde skitseres en procedure for datakorrektion og -analyse. Endelig rapporteres og diskuteres resultaterne.

1. Tilberedning af trykfarver til rulle-til-rulle-belægning (dag 1)

  1. Læs msds af polymerer, molekyler og opløsningsmidler omhyggeligt, før du starter et eksperiment.
  2. Der anbringes 90 mg O-IDTBR og 90 mg P3HT i et 10 mL hætteglas.
  3. P3HT:O-IDTBR-faste stoffer opløses i 4,5 ml dichlorbenzen:bromoanisål (0,95:0,05) opløsningsmiddelblanding. Den endelige koncentration af blækket er derefter 180 mg / 4,5 mL = 40 mg/mL.
  4. Placer en magnetisk omrører i opløsningen, og forsegl straks hætteglasset. Placer det forseglede hætteglas på en kogeplade med en magnetisk rotator. Sæt rotationen til 300 omdrejninger i minuttet og kogepladen til 60 °C, og lad den omrøre i 12 timer.
  5. Gentag fremgangsmåden for trykfarveforberedelse til P3HT:EH-IDTBR.

2. Forberedelse og udførelse af roll-to-roll slot die coating (Dag 2)

  1. Sluk for rotationen og kogepladen. Tag hætteglassene ud af kogepladen mindst 1 time før brug for at opnå rumtemperatur på trykfarverne ved belægning.
  2. Vind 18 m PET-substratfolie på føderullen. Fastgør den frie ende af underlaget til winderrullen som vist i figur 5. Start motoren for at køre folien 0,2 m for at stramme substratet.
  3. Sæt den første kogeplade i rulle-til-rul-opsætningen ved den ønskede temperatur (dvs. 60 °C). Den anden kogeplade indstilles til 80 °C for at sikre, at filmen tørres, når den vikles på winderrullen. Vent ca. 15 minutter på, at temperaturen på de to kogeplader stabiliseres.
  4. 2,2 mL blæk ind i en 3 mL sprøjte. Monter sprøjten i pumpen. Fastgør et rør fra sprøjten til slot-die belægning hovedet.
  5. Placer belægningshovedet tæt på enden af den første kogeplade ved at justere den vandrette oversættelsesfase, og placer meniskguiden ca. 5 mm over substratet.
  6. Sæt sprøjtepumpen ved følgende belægningsindstillinger: Hastighed: 0,08 mL/min. sprøjtens diameter: 12,7 mm.
  7. Kontroller tykkelsen af det aktive lag d ved at justere strømningshastigheden fog hastigheden på det bevægelige substrat vi henhold til denne formel:
    Equation 1
    hvor w er filmens bredde (bestemt af meniskguiden), og ρ er massefylden af materialerne i blækket. I dette eksperiment bruger vi v=0,6 m/min. med en strømningshastighed på f=0,08 mL/min, hvilket resulterer i en film med en tør tykkelse på 425 nm.
  8. Kritisk trin: Tryk manuelt på blækket fra sprøjten gennem slangen og stop 1 cm, før blækket når belægningshovedet. Start sprøjtepumpen og vent på en dråbe for at våd hele bredden af menisk-guiden. Sænk straks belægningshovedet for at vådt substratet med blækket og løft derefter meniskguiden til belægningspositionen 2 mm over substratet.
  9. Start motoren, der afvikler substratet, og begynd at belægge blækket.
  10. For at stoppe belægningen skal du stoppe pumpen og stoppe det bevægelige substrat. Hæv belægningshovedet til en sikker højde (ca. 20 mm over substratet). Rengør derefter hoved og slange med tetrahydrofuran.

3. Dag 2: In situ roll-to-roll GISAXS eksperimenter

  1. Beskrivelse af røntgenopsætning
    BEMÆRK: Den samlede længde af græsningsforekomsten Lille vinkel X-ray setup er 4,5 m og består af en røntgenkilde, der fokuserer optik, en collimation sektion, en prøve fase, en flyvning rør, stråle stop, og en detektor, som vist i figur 6. Røntgenkilden er en roterende anode fra Rigaku.
    1. Brug en kobberode til dette eksperiment, og sæt driftstilstanden til 36 kV og 36 mA.
    2. Brug eksperimentet i finfokus. Optik består af en 2D-fokus multilayer monokromator, som er justeret for at optimere afspejlingen af Kobber Kα stråling med en bølgelængde på 1,5418 Å. Collimationsafsnittet består af tre pinholes placeret henholdsvis 45 cm, 141 cm og 207 cm nedstrøms fra røntgenkilden. Pinholes diameter er henholdsvis 0,75 mm, 0,3 mm og 1,0 mm i diameter med en sondestørrelse på ca. 1,0 mm ved prøvepositionen, svarende til et strålefodaftryk på 286 mm ved 0,2° incidensvinkel. Strålen har en flux ved prøven på 5 x 106 fotoner s-1 og en profil som vist i figur 7, venstre panel.
    3. Sørg for, at der er mindst tre kontrollerbare motorer i prøvefasen for at justere placeringen af mini-rulle-til-rulle-coateren. Neden for prøvestadiet skal der installeres et 166 cm evakueret flyverør (mindre end 0,01 mbar) på stativet efterfulgt af en Eiger 4M røntgendetektor31.
  2. Installer rullefrakkeren.
    1. Fastgør mini roll-to-roll coater til goniometeret. Monter goniometeret med rulle-til-rul-coateren på den optiske bænk i prøvepositionen.
    2. Fastgør de tre motorkabler. Fastgør goniometerstadiet til bænken. Indflyvning af flyrøret så tæt på mini roll-to-roll coater som muligt.
  3. Kritisk trin: Juster prøvepositionen. Coat 10 cm af blækket og rul filmen ind i strålen. Proceduren for justering er tredobbelt.
    1. Prøven justeres parallelt med strålen. Dette opnås ved en iterativ proces med at scanne den samlede intensitet af den direkte stråle som en funktion af den lodrette prøveposition og incidensvinkel.
    2. Prøven justeres efter en bestemt incidensvinkel αived at beregne vinklen fra den reflekterede stråle på detektoren med følgende formel:
      Equation 1  (1)
      hvor RB er den reflekterede stråleposition, db er den direkte stråleposition (begge målt i cm), og SDD er prøve-til-detektor afstand, her 166 cm.
    3. Optimer intensiteten i den reflekterede stråle ved at scanne prøvepositionens højde. Til dette eksperiment skal du bruge en incidensvinkel på 0,2°. 2D-dataene for denne procedure er vist i figur 7.
  4. Valg af incidensvinkel
    1. Vælg incidensvinklen for at sikre indtrængning i de lag af interesse. Her vil dette være en incidensvinkel på 0,2°.
      BEMÆRK: Til dette eksperiment består filmen af interesse af opløsningsmiddel, P3HT og IDTBR. Både P3HT og O-IDTBR har en højere tæthed end opløsningsmidlet og har formentlig den højeste kritiske vinkel til total refleksion. Den kritiske vinkel på P3HT og O-IDBTR kan variere afhængigt af deres pakning, hvilket resulterer i en kritisk vinkel, der varierer fra 0,16° - 0,19°, under forudsætning af en massefylde af det faste stof på 1,1 - 1,35 g/cm3. Således blev 0,2° valgt for at sikre indtrængning i hovedparten af filmen. Hvis du vil udføre et GISAXS-eksperiment på et andet prøvesystem, skal du evaluere den bedst egnede incidensvinkel for en bestemt prøve28,59.
  5. Installer strålestoppet lige før detektoren, hvilket forlænger detektorens levetid. Brug et cirkulært strålestop til den direkte stråle og et ekstra tyndt rektangulært strålestop for at blokere den reflekterede stråle. Strålestoppet skal blokere den direkte stråle, men samtidig gøre det muligt at detektere spredning ved lave spredningsvinkler.
    BEMÆRK: Det er muligt at udføre dette eksperiment uden et strålestop for at muliggøre konstant sporing af den reflekterede stråle.
  6. Installer punkt-sugning. Placer punktsugningen for at fjerne alle gasserne fra de fordampende opløsningsmidler. Spænd punktsugningen for at sikre, at luftstrømmen ved prøven er den samme ved hvert forsøg.
  7. Lad en sprøjte med 2,2 mL blæk og læg sprøjten i sprøjtepumpen. Tryk manuelt på blækket fra sprøjten gennem slangen og stop 1 cm, før blækket når belægningshovedet.
  8. Indstil afstanden fra belægningshovedet til røntgenstrålen. Belægningshovedet anbringes i en position på 120 mm, der er fordrevet fra røntgenstrålen langs foliens bevægelige retning, for at sikre en tørretid på 12 sekunder (i 3 sekunders tørretid skal belægningshovedet placeres 30 mm fra røntgenstrålen) som vist i figur 8.
  9. Start roll-to-roll slot-die belægning. Placer meniskguidens højde 5 mm over substratet.
    1. Start sprøjtepumpen og vent på en dråbe for at våd hele bredden af menisk-guiden. Sænk straks belægningshovedet for at vådt substratet med blæk, og løft derefter meniskguiden til belægningspositionen 2 mm over substratet.
    2. Start motoren, der afvikler substratet, og begynd at belægge blækket.
  10. Begynd at optage data. Åbn røntgenskodden, og begynd at optage data i 3000 sekunder.
    BEMÆRK: Dette eksperiment blev udført med en eksponering på 3000 sekunder, en mere robust metode er at udføre flere kortere eksponeringer for at muliggøre fleksibel tidsmæssig binning af data.
  11. Overvåg kvaliteten af den belagte film med et kamera. Kig efter af-betændte effekter af filmen på substratet og menisken skæve. Hvis det er nødvendigt, skal du stoppe målingerne og gentage forsøget.
    1. I slutningen af eksperimentet skal du lukke røntgenskoddet. Sluk for røntgenstrålen på afstand. Stop sprøjtepumpen, hæv belægningshovedet, og slap af i folien. I forbindelse med en række eksperimenter skal du gentage denne procedure med en anden indstilling.

4. Databehandling

BEMÆRK: Der blev udført fire forsøg, og de specifikke parametre findes i tabel 2. Et af forsøgene med P3HT:O-IDTBR blev stoppet efter 2732 sekunder på grund af en sprøjtepumpefejl; Signalet skal derfor normaliseres for at tage højde for forskellen i anskaffelsestid.

  1. Datakorrektion
    1. Brug først en maske til at korrigere for strålestoppet og døde pixel33. Følg med en kosmisk stråle filter udvikle ved SAXSLAB, derefter fladt felt korrektion, tidskorrektion, et filter for den ekstra spredning toppe som følge af polykrystallinsk aluminium, der er tydeligt synlige i de to datasæt vist i figur 9, venstre panel.
  2. Fra ægte til gensidigt rum
    1. Konverter 2D-dataene fra det virkelige rum til den gensidige rumvektor qx,y,z i enheder af Å-1 ved hjælp af denne formel:
      Equation 1  (2)
      Her er αjeg incidensvinklen med hensyn til overfladens normale, α f er udgangs-/slutvinklen på detektoren (lodret på detektoren), 2θf er udgangs-/slutvinklen i flyet (vandret på detektoren), og λ er bølgelængden af hændelsesstrålen. Antag, at bølgelængden skal bevares, også kendt som elastisk spredning34.
  3. Integration af vandret linje på Yoneda-linjen
    1. X- og y-koordinaten for strålens centrum bestemmes henholdsvis prøven til detektorafstanden (SDD = 1,66 m), bølgelængden af røntgenstrålerne (1,5418 Å) og pixelstørrelsen i hver retning (75 x 75 μm2).
    2. Den forventede position af Yoneda-linjen beregnes ud fra den kritiske vinkel på den undersøgte prøve28,34,35,36.
    3. Hent spredningsintensiteten som en funktion af spredning af vektor qxyved hjælp af et MatLab-script eller ved hjælp af dedikeret software som DPDAK eller Xi-Cam38,39. Udfør vandret linjeintegration langs Yoneda-linjen som angivet i figur 9med en bredde på 50 pixel til hver side for at sikre et tilfredsstillende signal-til-støj-forhold.
  4. Placering af horisontal integration
    1. Hvis du vil undgå oversampling (se figur 9, højre panel) og for at øge signal-til-støj-forholdet for de store spredningsvektorer qxy, skal du smide dataene logaritmisk40.
    2. Datapunkterne må ikke smides op, før qxy = 0,5 x 10-3Å. Dette er ikke nødvendigt på grund af den høje intensitet og gensidige afstand i q-space, hvilket sikrer, at der ikke er overflødige datapunkter.
    3. Fra qxy = 0,5 x 10-3Å og derover skal du opdele qxy-akseni 135 lige store placeringer på en logaritmisk skala på en sådan måde, at den første placering ved qxy = 0,53 x 10-3Å er gennemsnittet af to datapunkter, og det sidste binerede punkt ved qxy = 0,3Å er et gennemsnit på 24 point.
  5. Anvendelse af Teubner-Strey-modellen
    1. Anvend tre Teubner-Strey-bidrag for at beskrive dataene. De to første bidrag beskriver kontrasten mellem donoren/acceptoren og det sidste bidrag beskriver kontrasten mellem større aggregater af materialer omgivet af opløsningsmidlet. Det matematiske udtryk for spredningsintensiteten er som følger:
      Equation 1  (3)
      hvor β er en konstant baggrund, defineres parametrene a1,i, c1,i, c2,i med hensyn til domænestørrelse, d iog korrelationslængde i,som følger:

      Equation 1 (4)
      Fra ligninger (4) kan domænestørrelsen og korrelationslængden udtrykkes på følgende måde:
      Equation 1  (5)
      Og
      Equation 1  (6)
      hvor d1, ο1,d2 og χ 2 er parametrene for donor/acceptorfasen, og d3 og 3 er parametrene for de aggregerede/solvente faser. De monterede modeller er vist i figur 10. Resultaterne fra de fire anfald, der er baseret på den beskrevne Teubner-Strey-model, findes i tabel 3.

Representative Results

Først og fremmest beskriver dette papir metoden og protokollen til at udføre et vellykket roll-to-roll in situ in-house GISAXS-eksperiment til sondetørring af tyndfilm. Baseret på monteringen kan det udledes, at Teubner-Strey-modellen med succes beskriver dataene for P3HT:EH-IDTBR og P3HT:O-IDTBR i både 12 og 3 sekunders tørring som vist i figur 10.

De karakteristiske længdeskalaer baseret på Teubner-Strey-modellen findes i tabel 3 med de tilsvarende usikkerheder i tabel 4. For alle fire anfald er domænestørrelsen og korrelationslængden for den højeste qxy, d1 og χ 1tæt på samme værdi, varierende fra 12,0 ± 1,7 nm til 12,5 ± 2,2 nm og fra 3,9 ± 0,4 nm til 5,0 ± 0,4 nm. Disse to karakteristiske størrelser og længder svarer til de værdier, der er rapporteret i litteraturen for tørfilm bulk heterojunktioner af P3HT:IDTBR og P3HT:PCBM41,42. For de store strukturer, d3 og 3,er der en klar tendens til, at strukturerne bliver større, efterhånden som de tørrer. For P3HT:EH-IDTBR stiger den fra 225 ± 10,3 nm til 562 ± 11,1 nm, og for P3HT:O-IDTBR stiger den fra 241 ± 4,1 nm til 489 ± 9,2 nm. Korrelationslængderne d2findes at være 30 ± 12 nm og 34 ± 3,5 nm for P3HT:O-IDTBR og 41 ± 14 nm for begge P3HT:EH-IDTBR-eksperimenter. Mærkbart, d2 er mere udtalt efter 3 sekunders tørring end efter 12 sekunders tørring for P3HT:O. IDTBR i modsætning til P3HT:EH-IDTBR, hvor d2 er mere udtalt efter 12 sekunders tørring end efter 3 sekunders tørring. Hvorvidt d2 opløses for at bidrage til det signal, der opnås ved d1 eller klynge for at bidrage til d3, bestemmes ikke i dette forsøg.

Baseret på formalismen af Teubner-Strey20, de karakteristiske parametre for en1,i, c1,i, c2,angiverjeg, at små vægte, en1,1, c1,1, c2,1, en1,2, c1,2, c2,2, er karakteristiske for et tidligt stadium af spinodal nedbrydning, hvor de to faser er blanding43. Dette er i overensstemmelse med den generelle forståelse af morfologi donor / acceptor blanding. De store længdeskalaer, en1,3, c1,3, c2,3, er karakteristiske for mikroemulsioner20, som er forårsaget af kontrasten (elektrontæthedsforskel) mellem aggregater af materiale og opløsningsmiddel. Fra dette eksperiment er det umuligt at skelne mellem, om disse karakteristiske parametre i d3 skyldes forskellen i elektrontæthed mellem enten P3HT:O-IDTBR/Solvent, O-IDTBR/Solvent eller P3HT/Solvent.

Hvis du vil tilpasse en model til røntgen, er spredning af data et iboende omvendt problem. Derfor kan flere modeller anvendes til at beskrive spredningsdataene. Til denne analyse blev formuleringen af Teubner og Strey20,44 anvendt til at passe til dataene. Rammen stammer fra en ordreparameterudvidelse af Landaus frie energi til at beskrive spredningsintensiteten fra tofasesystemer. Fortolkning af modellen er en abstrakt geometrisk struktur af et tofaset system med en karakteristisk domænestørrelse og en korrelationslængde som kendt fra statistisk mekanik45.

Der findes mange sofistikerede modeller, der kan forudsige 2D-data fra GISAXS eksperimenter, og brugervenlige software-programmer34,46 til model dette. Normalt er GISAXS-data fra BHJ modelleret med Den Forvrængede Bølgefødte Tilnærmelse (DWBA) med meget høj nøjagtighed27,40,47,48. Ikke desto mindre er den største ulempe, at den modellerede struktur ikke svarer til den kompleksitet, der forventes i en BHJ. En enklere fremgangsmåde er at begrænse analysen til qxy-retningen. Når kun 1D-vandrette linjeskæringer i qxy overvejes, er det rimeligt at antage, at den største bidragyder til spredning stammer fra de laterale strukturer, der er til stede i filmen. Hvis dette antages, kan det påvises, at den momentumoverførsel, der hentes fra de vandrette linjeskæringer, svarer til transmissionen SAXS49,50, hvorfra Teubner-Strey udledes20 og derfor gælder for den analyse, der præsenteres her.

Denne model er valgt af tre grunde: For det første er modellen et analytisk udtryk, der har vist sig at passe til en række tofasede systemer, herunder BHJ20,26,51, og den kan anvendes til meget hurtige tilpasningsalgoritmer, som gælder for storstilet kvalitetskontrol og for in situ-målinger. For det andet, så vidt vi ved, er denne model i overensstemmelse med den morfologi, der observeres for P3HT:O-IDTBR ved transmissionselektronmikroskopi (TEM)52 og atomkraftmikroskopi (AFM)42. For det tredje er det en simpel model, dvs det spænder over en lille parameter plads.

Desuden dokumenterer dette papir, at det er muligt at undersøge tørrekinetik af ikke-fulleren organiske solceller med en intern røntgenkilde. Derudover har denne metode potentialet til at fungere som et værktøj til at fremskynde forskningen i store roll-to-roll belagte OPV'er.

Figure 1
Figur 1: Kemisk struktur af P3HT, O-IDTBR og EH-IDTBR. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 2
Figur 2: (Venstre) Arbejdsprincip for en bulk heterojunktion organisk solcelle. Sollys skaber en exciton, som ved adskillelse gør det muligt for hullet og elektronen at diffuse til katoden og anoden. (Til højre) Energi diagram af HOMO og LUMO niveauer af donor og acceptor. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 3
Figur 3: (Venstre) JV-kurver for roll slot die belagt med fleksibelt substrat P3HT:O-IDTBR og P3HT:EH-IDTBR, svarende til de enheder, der klarer sig bedst i tabel 1. (Til højre) EQE kurver af roll slot die belagt med fleksibelt substrat P3HT:O-IDTBR og P3HT:EH-IDTBR. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 4
Figur 4: Billeder af de to trykfarver, rullebelagt på PET-underlag. Øverst er P3HT:EH-IDTBR og nederst er P3HT:O-IDTBR. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 5
Figur 5: (Venstre) Billede af mini roll-to-roll coater. 1. a) 1.b) angiver henholdsvis folieføderens og -modtagerens rotationscenter. Motoren er på bagsiden af roll-to-roll coater og er en stepper motor. 2) Oversættelsesfaserne for belægningshovedet, som kan bevæge sig i alle tre retninger langs folien, op og ned og udad og indad. 3) Slot dør belægning hoved, hvor en slange med blæk kan fastgøres. 4) De to kogeplader, angivet med de to pile, som vil opvarme det bevægelige substrat til den ønskede temperatur. I dette eksperiment blev det sat til 60 °C. Alle dele fjernstyres. (Til højre) Roll-to-roll coater installeret på GISAXS set-up. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 6
Figur 6: Eksperimentel set-up for græsning Incidens Lille Vinkel X-ray Scattering. 1) X-ray kilde er en roterende anode lavet af Rigaku. En roterende anode lavet af kobber blev drevet ved 36 kV 36 mA. 2) Optik sektion, hvor Cu Kα karakteristisk fluorescens fra den roterende anode diffract fra en enkelt bounce multilayer spejl, hvilket gør strålen monokromatisk ved bølgelængde: λ =1.5418 Å. 3) Attenuator station, som ikke blev anvendt til dette eksperiment. 4) Collimation sektion, der består af tre pinholes efter hinanden som angivet med de tre pile. Diameteren af pinhullerne er henholdsvis 0,75 mm, 0,3 mm og 1,0 mm. 5) Mini roll-to-roll coater position fastgjort til en lodret bevægelig akse og et goniometer til at styre incidensvinklen. 6) Flight tube i vakuum. 7) Eiger 4M detektor. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 7
Figur 7: Tre trin i tilpasningsproceduren illustreret som rå Eiger 4M-data. (Til venstre) Først skal du sørge for, at der ikke er noget, der blokerer den direkte stråle. I dette eksempel er bjælkestoppet placeret lige til venstre og under den direkte stråle. (I midten) Scan prøven langs den lodrette akse, og placer den, hvor halvdelen af den direkte stråle blokeres af prøven. Derefter roteres prøven, så incidensvinklen gradvist ændres, og prøven placeres, hvor intensiteten af den direkte stråle er højest. Denne procedure skal udføres 3-5 gange for at sikre, at prøven er helt parallel med strålen. (Til højre) Prøven roteres, indtil der sker en klar refleksion af detektoren. Fra disse to positioner kan den nøjagtige hændelsesvinkel beregnes (se tekst). Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 8
Figur 8: To stadier af tørring set fra to forskellige vinkler. (Venstre) er den våde fase, hvor filmen har tørret i 3 sekunder, før den blev undersøgt. (Til højre) er den tørre fase, hvor filmen har tørret i 12 sekunder. Kontrasten er blevet øget for at visualisere effekten af kanterne tørring. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 9
Figur 9: (Venstre) 2D-data P3HT:O-IDTBR ved 12 sekunders tørring med 3000 sekunders anskaffelsestid. Det røde rektangel angiver, hvor den vandrette integration er blevet udført, og de intense områder, der er markeret som aluminiumstopper, stammer fra varmepladen. (Til højre) Den vandrette integration fra det røde rektangel, hvor aluminiumstoppenes q-vektorer udelades fra integrationen. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 10
Figur 10: Binned vandret linje integration for de fire eksperimenter: P3HT:EH-IDTBR (sort) og P3HT:O-IDTBR (blå) probed på både 12 sekunder (trekanter) og 3 sekunder (firkanter) af tørring sammen med Teubner-Strey passer. Klik her for at se en større version af dette tal.

Tørretid(er) Måletid(er)
P3HT:O-IDTBR 3.0 2732
P3HT:O-IDTBR 12 3000
P3HT:EH-IDTBR 3.0 3000
P3HT:EH-IDTBR 12 3000

Tabel 1 — Oversigt Optoelektroniske egenskaber ved 1 cm2 organiske solceller baseret på P3HT:O-IDTBR og P3HT:EH-IDTBR, der viser effektkonverteringseffektiviteten (PCE), kortslutningsstrømtætheden (JSC), fyldfaktoren (FF) og den åbne kredsløbsspænding (VOC) under 100 mW/cm2 belysning.

P3HT:EH-IDTBR Pce
(%)		 JSC
(mA/cm2)		 Ff
(%)		 VOC
(mV)
1 2.20 5.32 59.43 0.70
2 1.81 4.53 56.97 0.70
3 1.97 4.83 57.55 0.71
4 2.17 5.10 60.00 0.71
5 2.18 5.28 58.49 0.71
Gennemsnitlige 2.07 5.01 58.49 0.70
stand dev prøve 0.15 0.30 1.13 0.00
P3HT:O-IDTBR
1 3.38 7.95 60.48 0.72
2 3.33 7.75 60.36 0.71
3 2.97 7.19 58.72 0.70
4 3.20 7.48 60.15 0.71
5 3.24 7.54 60.68 0.71
Gennemsnitlige 3.22 7.58 60.08 0.71
stand dev prøve 0.14 0.26 0.70 0.00

Tabel 2 — Oversigt Oversigt over data. P3HT:O-IDTBR med en tørretid på 3,0 s blev stoppet efter 2732 s på grund af en sprøjtepumpefejl.

Monterede værdier d1 [nm] 1 [nm] d2 [nm] 2 [nm] d3 [nm] 3 [nm]
EH-IDTBR 12s 12.2 4.7 41 22 562 20
EH-IDTBR 3'ere 12.0 5.0 41 17 225 18
O-IDTBR 12s 12.4 4.8 34 32 489 16
O-IDTBR 3'ere 12.5 3.9 30 18 241 13

Tabel 3 — Oversigt Monterede værdier fra de fire eksperimenter. Alle enheder af [nm].

Fejl d1 [nm] 1 [nm] d2 [nm] 2 [nm] d3 [nm] 3 [nm]
EH-IDTBR 12s 1.4 0.2 10 3.2 11.1 1.7
EH-IDTBR 3'ere 1.7 0.4 14 2.1 10.3 1.9
O-IDTBR 12s 2.1 0.3 3.5 2.7 9.2 1.5
O-IDTBR 3'ere 2.2 0.4 12.0 1.3 4.1 0.6

Tabel 4 — Kommissionen for De Standardafvigelser for de monterede værdier fra de fire forsøg. Alle enheder af [nm].

Discussion

Incidensvinklen er meget vigtig for et GISAXS-eksperiment. Det kan sættes spørgsmålstegn ved, hvor stabil filmen vil bevæge sig med hensyn til incidensvinklen under roll-to-roll belægning af 18 meter film på et fleksibelt substrat. For de eksperimenter, der udføres i denne demonstration, kan vi ikke bevise stabiliteten af det bevægelige substrat, men tidligere offentliggjorte data, hvor der bruges en ældre version af opsætningen, dokumenterer en stabil film18,21. Tidligere synkrotroneksperimenter, hvor denne rulle-til-rulle-coater er blevet anvendt, har vist, at incidensvinklen ikke varierer mere end ± 0,03° som evalueret af placeringen af den reflekterede stråle som en funktion af tiden (med en tidsmæssig opløsning på 0,1 s), hvilket svarer til ± 12 pixel fra Yoneda-linjen til dette eksperiment, der henviser til, at den horisontale linjeintegration blev foretaget med ± 50 pixels. Under forudsætning af denne analyse vil denne lille ændring i incidensvinklen ikke påvirke analysen af dette arbejde og kan derfor overses. I fremtiden bør denne type forsøg udføres uden et strålestop og med kontinuerlig indsamling af data for at undersøge incidensvinklen under hele forsøget.

Luftkonvektion over tørrefilmen, relativt tryk og relativ luftfugtighed er kendt for at påvirke tørringsprofilen af tyndfilm; Således, at gøre en fuldt reproducerbar eksperiment, omhyggeligt at måle disse parametre er en nødvendighed. Sammenligningen mellem de fire målinger i dette dokument er gyldig, fordi disse blev belagt under nøjagtig de samme forhold samme dag.

For at udføre et roll-to-roll in situ GISAXS-eksperiment skal flere kriterier være opfyldt for at sikre et vellykket eksperiment. Forskellene i elektrontæthed (kontrast) mellem materialerne skal være høje nok til at have et spredningssignal. Retningslinjerne for dette emne er blevet offentliggjort J. Als-Nielsen et al.53.

På grund af den lave røntgenflux af en laboratoriekilde i forhold til en synkrotron er der brug for meget mere materiale for at udføre sådanne eksperimenter. Det er således ikke fuldt ud relevant for materialeopdagelse, men vil fungere som et værktøj til optimering af formuleringer af trykfarver, der er relevante for OPV'er. Derudover er det på grund af den lave flux kun muligt at udføre grovere eksperimenter med hensyn til den tidsmæssige opløsning af tørre blæk. Under sådanne eksperimenter undersøger vi 18 meter aktivt lag under tørring. Vi forventer små variationer i den store morfologi gennem hele eksperimentet, og vi undersøger derfor gennemsnittet af 18 meter belagt film. Dette efterligner betingelserne for en storstilet fabrikation. Hvis inhomogeniteten inden for få meter skal undersøges, er synkrotronstråling nødvendig.

Udførelse af eksponeringer på 3000 sekunder er ikke det optimale eksperimentelle design. En mere robust metode er at udføre flere kortere eksponeringer for at muliggøre fleksibel tidsmæssig binning af data for at analysere de store homogeniteter og til enhver tid undersøge incidensvinklen.

Så vidt vi ved, er dette den første demonstration af at udføre en in situ GISAXS på roll-to-roll belægning af blæk til OPV'er på en laboratorie røntgenkilde, selvom vi tidligere har demonstreret lignende eksperimenter, der analyserer det krystallinske diffraktionssignal54,55. Med denne demonstration og protokol, mener vi, at det vil være lettere at anvende og udføre in situ GISAXS eksperimenter for forskere, studerende og udvikle ingeniører. Dette kan potentielt fremskynde forskningsfeltet, simpelthen fordi det er muligt at få adgang til sådant udstyr på daglig basis. Derudover, ved hjælp af en roll-to-roll coater er det muligt at sammenligne solcelle ydeevne med de strukturelle egenskaber probed i dette eksperiment, 1:1.

Forbedringer af den eksperimentelle opsætning er nødvendige for at udnytte alle fordelene ved at have en intern røntgenkilde. Ud over at øge den brugbare røntgenflux for små laboratoriekilder er det første skridt til forbedring af dette eksperiment at undgå spredning af toppe fra aluminium, der ligger over dataene, som vist i figur 9 (til venstre). Dette kan realiseres ved at installere en røntgenabsorberende substratholder, der kan modstå temperaturer op til 150 °C for korrekt opvarmning. Derudover vil afskærmningsspalter lige før prøven forbedre datakvaliteten. Denne demonstration er ikke udelukkende af interesse for forskning i den organiske solcelle samfund, men ethvert område, der er forsker eller optimere belægning parametre for tynd-film teknologier. Ved at kombinere denne teknik med samtidige GIWAXS, hvor krystallinske strukturer undersøges, vil yderligere øge antallet af videnskabelige områder, hvor der i huset roll-to-roll røntgenforsøg er gældende.

Da disse in situ roll-to-roll eksperimenter er sondering våde film, er det gavnligt, hvis opløsningsmidlet ikke absorberer for store fraktioner af den belyste X-ray stråle. Generelt polymer:PCBM systemer har en stor kontrast og kombineret med et opløsningsmiddel, der ikke indeholder klor (som er en stærk X-ray absorber) vil garantere en stor kontrast, og dermed en høj spredning intensitet. Til dette eksperiment er kontrasten mellem P3HT:IDTBR lille, og kombineret med et kloreret opløsningsmiddel er spredningsintensiteten lav. Disse materialer er ikke ideelle til et sådant eksperiment, men meget interessante for solceller, hvorfor denne teknik skal videreudvikles for at sikre, at systemer med lav kontrast og høj absorbans også kan undersøges. Valget af model er den mest afgørende faktor for at udføre en komparativ analyse på tværs af flere GISAXS-eksperimenter. Til den analyse, der præsenteres i dette dokument, blev rammerne for Teubner-Strey anvendt til at beskrive de fire datasæt. Den bedste metode til at vælge en model er at besidde ab initio oplysninger om formen og størrelsen af den undersøgte prøve. Dette kan opnås fra enten TEM-billeder, simuleringer eller mikroskopbilleder. Ræsonnementet bag vores valg af model er angivet i teksten, men det skal bemærkes, at flere modeller kan vælges til at beskrive sådanne GISAXS-data. Teubner-Strey-modellen blev oprindeligt udviklet til transmission af SAXS, men har med succes modelleret GIWAXS-data fra BHJ-solceller før51 og nu her. Yderligere forbedringer er at tilpasse abstrakte geometriske modeller som kendt fra molekylær dynamik simuleringer og anvende DWBA til model 2D-data. Alternative modeller omfatter: strenge geometriske objekter med en grad af polydispersefordeling af størrelse som beskrevet og anvendt i53, hvor DWBA er nødvendig for at modellere 2D-data, en kombination af Fresnel-refleksionsevne og gaussiske fordelinger for at passe til ordnede systemer, da co-block polymerer GISAXS signalerer56, perlemodeller hovedsagelig til biologiske prøver57og fraktalgeometri58,59.

Disclosures

Forfatterne har intet at afsløre.

Acknowledgments

Forfatterne vil gerne anerkende de to teknikere, der var med til at genopbygge og vedligeholde instrumentet, Kristian Larsen og Mike Wichmann. Forfatterne vil desuden gerne takke Roar R. Søndergaard og Anders Skovbo Gertsen for frugtbare diskussioner. Denne undersøgelse blev støttet af Det Europæiske Forskningsråd (ERC) under Den Europæiske Unions Horizon 2020-forsknings- og innovationsprogram (SEEWHI Consolidationor grant No. ERC-2015-CoG-681881).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Bromoanisole Sigma Aldrich 104-92-7 >99.0 %
Dichlorobenzene Sigma Aldrich 95-59-1 >99.0 %
EH-IDTBR 1-Material BL3144
Eiger X 4M DECTRIS
EQE PV Measurements
Flextrode Infinity PV Custom order 10 mm stripes
JV-Measurements Keithley + JV software 2000E + JV Software
Mini roll to roll coater Custom made Slot die coater on a rotating drum
O-IDTBR 1-Material DW4076P
P3HT 1-Material M1011 RR 97.6 %
PEDOT Sigma Aldrich 155090-83-8
PET Substrate AMCOR FLEXIABLES
Silver ink CCI EUROLAM DuPont 5025 Silver conductor
Syringe Braun Injekt
Syringe pump Syringe pump pro
Tubes Mikrolab Aarhus A/S
X-ray source Rigaku Rotating anode

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Krebs, F. C., Espinosa, N., Hösel, M., Søndergaard, R. R., Jørgensen, M. 25th Anniversary Article: Rise to Power - OPV-Based Solar Parks. Advanced Materials. 26 (1), 29-39 (2014).
  2. Søndergaard, R., Hösel, M., Angmo, D., Larsen-Olsen, T. T., Krebs, F. C. Roll-to-roll fabrication of polymer solar cells. Materials Today. 15 (1-2), 36-49 (2012).
  3. Lucera, L., et al. Guidelines for Closing the Efficiency Gap between Hero Solar Cells and Roll-To-Roll Printed Modules. Energy Technology. 3 (4), 373-384 (2015).
  4. Gu, X., et al. Roll-to-Roll Printed Large-Area All-Polymer Solar Cells with 5% Efficiency Based on a Low Crystallinity Conjugated Polymer Blend. Advanced Energy Materials. 7 (14), 1602742 (2017).
  5. Ding, Z., Stoichkov, V., Horie, M., Brousseau, E., Kettle, J. Spray coated silver nanowires as transparent electrodes in OPVs for Building Integrated Photovoltaics applications. Solar Energy Materials and Solar Cells. 157, 305-311 (2016).
  6. Few, S., Frost, J. M., Nelson, J. Models of charge pair generation in organic solar cells. Physical Chemistry Chemical Physics. 17 (4), 2311-2325 (2015).
  7. Alessandri, R., Uusitalo, J. J., De Vries, A. H., Havenith, R. W. A., Marrink, S. J. Bulk Heterojunction Morphologies with Atomistic Resolution from Coarse-Grain Solvent Evaporation Simulations. Journal of the American Chemical Society. 139 (10), 3697-3705 (2017).
  8. Mirsafaei, M., et al. The influence of electrical effects on device performance of organic solar cells with nano-structured electrodes. Scientific Reports. 7 (1), (2017).
  9. Liu, Q., et al. 18% Efficiency organic solar cells. Science Bulletin. , (2020).
  10. Gertsen, A. S., Castro, M. F., Søndergaard, R. R., Andreasen, J. W. Scalable fabrication of organic solar cells based on non-fullerene acceptors. Flexible and Printed Electronics. 5 (1), 014004 (2020).
  11. Holliday, S., et al. High-efficiency and air-stable P3HT-based polymer solar cells with a new non-fullerene acceptor. Nature Communications. 7, 1-11 (2016).
  12. Yan, C., Barlow, S., Jen, A. K. Y., Marder, S. Non-fullerene acceptors for organic solar cells High Energy Density Nanocomposites Based on Surface-Modified BaTiO3 and a Ferroelectric Polymer View project Organic Solar Cells View project. Nature Publishing Group. 3, 1-19 (2018).
  13. Pascual-San-José, E., et al. Blade coated P3HT:non-fullerene acceptor solar cells: a high-throughput parameter study with a focus on up-scalability. Journal of Materials Chemistry A. 7 (35), 20369-20382 (2019).
  14. Strohm, S., et al. P3HT: Non-fullerene acceptor based large area, semi-transparent PV modules with power conversion efficiencies of 5%, processed by industrially scalable methods. Energy and Environmental Science. 11 (8), 2225-2234 (2018).
  15. Liu, K., et al. Roll-coating fabrication of flexible organic solar cells: comparison of fullerene and fullerene-free systems. Journal of Materials Chemistry. C. (3), (2016).
  16. He, Z., et al. Enhanced power-conversion efficiency in polymer solar cells using an inverted device structure. Nature Photonics. 6 (9), 591-595 (2012).
  17. Andersen, T. R., et al. ambient atmosphere roll-to-roll manufacture of encapsulated large area, flexible organic tandem solar cell modules. Energy and Environmental Science. 7 (9), 2925-2933 (2014).
  18. Rossander, L. H., et al. In-line, roll-to-roll morphology analysis of organic solar cell active layers. Energy and Environmental Science. , 2411-2419 (2017).
  19. Müller-Buschbaum, P. A basic introduction to grazing incidence small-angle X-ray scattering. Lecture Notes in Physics. 776, 61-89 (2009).
  20. Teubner, M., Strey, R. Origin of the scattering peak in microemulsions. The Journal of Chemical Physics. 87 (5), 3195-3200 (1987).
  21. Böttiger, A. P. L., Jorgensen, M., Menzel, A., Krebs, F. C., Andreasen, J. W. High-throughput roll-to-roll X-ray characterization of polymer solar cell active layers. Journal of Materials Chemistry. 22 (42), 22501-22509 (2012).
  22. Herzog, G., et al. In situ grazing incidence small-angle X-ray scattering investigation of polystyrene nanoparticle spray deposition onto silicon. Langmuir. 29 (36), 11260-11266 (2013).
  23. Perlich, J., et al. Pattern formation of colloidal suspensions by dip-coating: An in situ grazing incidence X-ray scattering study. physica status solidi (RRL) - Rapid Research Letters. 6 (6), 253-255 (2012).
  24. Schwartzkopf, M., Roth, S. Investigating Polymer-Metal Interfaces by Grazing Incidence Small-Angle X-Ray Scattering from Gradients to Real-Time Studies. Nanomaterials. 6 (12), 239 (2016).
  25. Fan, Q., et al. High-Performance As-Cast Nonfullerene Polymer Solar Cells with Thicker Active Layer and Large Area Exceeding 11% Power Conversion Efficiency. Advanced Materials. 30 (6), 1-7 (2018).
  26. Liu, F., et al. Fast printing and in situ morphology observation of organic photovoltaics using slot-die coating. Advanced Materials. 27 (5), 886-891 (2015).
  27. Liu, F., et al. Printing Fabrication of Bulk Heterojunction Solar Cells and In Situ Morphology Characterization. Journal of Visualized Experiments. (119), 53710 (2017).
  28. Hexemer, A., Müller-Buschbaum, P. Advanced grazing-incidence techniques for modern soft-matter materials analysis. IUCrJ. 2 (1), 106-125 (2015).
  29. Carlé, J. E., Helgesen, M., Madsen, M. V., Bundgaard, E., Krebs, F. C. Upscaling from single cells to modules-fabrication of vacuum- and ITO-free polymer solar cells on flexible substrates with long lifetime. Journal of Materials Chemistry C. 2 (7), 1290-1297 (2014).
  30. Carlé, J. E., et al. Overcoming the Scaling Lag for Polymer Solar Cells. Joule. 1 (2), 274-289 (2017).
  31. Dectris Technical Specifications EIGER R 4M Detector Systems. , Available from: www.dectris.com (2018).
  32. Riekel, C., Burghammer, M., Davies, R., Gebhardt, R., Popov, D. Applications of Synchrotron Light to Scattering and Diffraction in Materials and Life Sciences. Lecture Notes in Physics. 776 (2009), 91-104 (2009).
  33. Pauw, B. R. Everything SAXS: Small-angle scattering pattern collection and correction. Journal of Physics Condensed Matter. 25 (38), 1-2 (2013).
  34. Babonneau, D. FitGISAXS: Software package for modelling and analysis of GISAXS data using IGOR Pro. Journal of Applied Crystallography. 43 (4), 929-936 (2010).
  35. Yoneda, Y. Anomalous surface reflection of X rays. Physical Review. 131 (5), 2010-2013 (1963).
  36. Schwartzkopf, M., Roth, S. V. Investigating polymer-metal interfaces by grazing incidence small-angle x-ray scattering from gradients to real-time studies. Nanomaterials. 6 (12), (2016).
  37. Liu, J., Yager, K. G. Unwarping GISAXS data. IUCrJ. 5, 737-752 (2018).
  38. Benecke, G., et al. A customizable software for fast reduction and analysis of large X-ray scattering data sets: Applications of the new DPDAK package to small-angle X-ray scattering and grazing-incidence small-angle X-ray scattering. Journal of Applied Crystallography. 47 (5), 1797-1803 (2014).
  39. Pandolfi, R. J., et al. Xi-cam: a versatile interface for data visualization and analysis. Journal of Synchrotron Radiation. 25 (4), 1261-1270 (2018).
  40. Pröller, S., et al. Following the Morphology Formation In Situ in Printed Active Layers for Organic Solar Cells. Advanced Energy Materials. 6 (1), 1501580 (2016).
  41. Pedersen, E. B. L., et al. Structure and crystallinity of water dispersible photoactive nanoparticles for organic solar cells. Journal of Materials Chemistry A. 3 (33), 17022-17031 (2015).
  42. Liang, Q., et al. Separating Crystallization Process of P3HT and O-IDTBR to Construct Highly Crystalline Interpenetrating Network with Optimized Vertical Phase Separation. Advanced Functional Materials. 29 (47), 1807591 (2019).
  43. Allen, S. M. Spinodal Decomposition. Encyclopedia of Materials: Science and Technology. , 8761-8764 (2001).
  44. Schubert, K. V., Strey, R., Kline, S. R., Kaler, E. W. Small angle neutron scattering near Lifshitz lines: Transition from weakly structured mixtures to microemulsions. The Journal of Chemical Physics. 101 (6), 5343-5355 (1994).
  45. Gould, H., Tobochnik, J. Statistical and thermal physics : with computer applications. , Princeton University Press. (2010).
  46. Pospelov, G., et al. BornAgain: software for simulating and fitting grazing-incidence small-angle scattering. Journal of Applied Crystallography. 53, 262-276 (2020).
  47. Wienhold, K. S., et al. Effect of Solvent Additives on the Morphology and Device Performance of Printed Nonfullerene Acceptor Based Organic Solar Cells. ACS Applied Materials & Interfaces. 11 (45), 42313-42321 (2019).
  48. Pröller, S., et al. Electrophoresis Assisted Printing: A Method to Control the Morphology in Organic Thin Films. ACS Applied Materials and Interfaces. 12 (5), 5219-5225 (2020).
  49. Busch, P., Rauscher, M., Smilgies, D. M., Posselt, D., Papadakis, C. M. Grazing-incidence small-angle X-ray scattering from thin polymer films with lamellar structures - The scattering cross section in the distorted-wave Born approximation. Journal of Applied Crystallography. 39 (3), 433-442 (2006).
  50. Busch, P., Posselt, D., Smilgies, D. M., Rauscher, M., Papadakis, C. M. Inner structure of thin films of lamellar poly(styrene-b-butadiene) diblock copolymers as revealed by grazing-incidence small-angle scattering. Macromolecules. 40 (3), 630-640 (2007).
  51. Kozub, D. R., et al. Polymer Crystallization of Partially Miscible Polythiophene/Fullerene Mixtures Controls Morphology. Macromolecules. 44, 5722-5726 (2011).
  52. Köntges, W., et al. Visualizing morphological principles for efficient photocurrent generation in organic non-fullerene acceptor blends. Energy & Environmental Science. , 1259-1268 (2020).
  53. Als-Nielsen, J., McMorrow, D. Elements of Modern X-ray Physics: Second Edition. Elements of Modern X-ray Physics: Second Edition. , John Wiley and Sons. (2011).
  54. Rossander, L. H., Zawacka, N. K., Dam, H. F., Krebs, F. C., Andreasen, J. W. In situ monitoring of structure formation in the active layer of polymer solar cells during roll-to-roll coating. AIP Advances. 4 (8), (2014).
  55. Zawacka, N. K., et al. The influence of additives on the morphology and stability of roll-to-roll processed polymer solar cells studied through ex situ and in situ X-ray scattering. Journal of Materials Chemistry A. 2 (43), 18644-18654 (2014).
  56. Renaud, G., Lazzari, R., Leroy, F. Probing surface and interface morphology with Grazing Incidence Small Angle X-Ray Scattering. Surface Science Reports. 64 (8), 255 (2009).
  57. Hajizadeh, N. R., Franke, D., Jeffries, C. M., Svergun, D. I. Consensus Bayesian assessment of protein molecular mass from solution X-ray scattering data. Scientific Reports. 8 (1), (2018).
  58. Bale, H. D., Schmidt, P. Small-Angle X-Ray-Scattering Investigation of Submicroscopic Porosity with Fractal Properties. Phys. Rev. Lett. 3 (6), (1984).
  59. Anitas, E. M., Slyamov, A. Structural Properties of Additive Nano/Microcellular Automata. Annalen der Physik. 530 (6), 1800004 (2018).

Tags

Kemi in situ GISAXS organiske solceller ikke-fullerene acceptor roll-to-roll belægning Teubner-Strey tørring kinetik
In situ Græsning Incidens Lille Vinkel X-ray Spredning på Roll-To-Roll Coating af organiske solceller med Laboratory X-ray Instrumentering
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Korning Sørensen, M., Espindola … More

Korning Sørensen, M., Espindola Rodriguez, M., Castro, M. F., Nambi, A., Kuhn, L. T., Andreasen, J. W. In situ Grazing Incidence Small Angle X-ray Scattering on Roll-To-Roll Coating of Organic Solar Cells with Laboratory X-ray Instrumentation. J. Vis. Exp. (169), e61374, doi:10.3791/61374 (2021).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter