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 Beite forekomst liten vinkel x-ray spredning på roll-to-roll belegg av organiske solceller med laboratoriet 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 papiret er en demonstrasjon og en retningslinje for å utføre og analysere internt (med et laboratorium røntgeninstrument) in situ GISAXS eksperimenter med tørking blekk på roll-to-roll slot-die belagt, ikke-fulleren organiske fotovoltaics.

Abstract

Vi presenterer et internt, in situ Grazing Incidence Small Angle X-ray Scattering (GISAXS) eksperiment, utviklet for å undersøke tørkekinetikken til roll-to-roll slot-die belegg av det aktive laget i organiske fotovoltaics (OPVs), under deponering. For denne demonstrasjonen er fokuset på kombinasjonen av P3HT:O-IDTBR og P3HT:EH-IDTBR, som har forskjellig tørkekinetikk og enhetsytelse, til tross for at deres kjemiske struktur bare varierer litt ved sidekjeden til den lille molekylsektatoren. Denne artikkelen inneholder en trinnvis veiledning for å utføre et in situ GISAXS-eksperiment og demonstrerer hvordan du analyserer og tolker resultatene. Vanligvis, utføre denne typen in situ X-ray eksperimenter for å undersøke tørking kinetikk av det aktive laget i OPVs er avhengig av tilgang til synchrotrons. Men ved å bruke og videreutvikle metoden som er beskrevet i dette papiret, er det mulig å utføre eksperimenter med en grov timelig og romlig oppløsning, på daglig basis for å få grunnleggende innsikt i morfologien til tørking av blekk.

Introduction

Organiske solceller (OPVs) representerer en av de mest lovende nye solcelleteknologiene. OPVs kan muliggjøre storskala produksjon av en kostnadseffektiv fornybar energikilde basert på alkoholfrie materialer med bemerkelsesverdigkort energi tilbakebetaling ganger1. Den fotoaktive delen i OPVs er et ca 300-400 nm tykt lag av ledende polymerer og molekyler, som kan skrives ut med en hastighet på flere meter per minutt ved roll-to-roll beleggteknikker 1. Denne tynnfilmteknologien er fleksibel, fargerik og lett, som åpner baner for nye solenergimarkeder, for eksempel Tingenes Internett, byggeintegrasjon, dekorative installasjoner og rask installasjon / avinstallering i stor skala2,3,4,5. Videre består OPVs utelukkende av rikelige og giftfrie elementer, noe som gjør dem både billige å produsere og resirkulere. Derfor får denne teknologien økende oppmerksomhet fra industri og akademia. Det er gjort enorme anstrengelser for å optimalisere hvert lag i den komplette stabelen som utgjør den organiske solcellen, og mye teoretisk og eksperimentell forskning er gjort for å forstå den underliggende fysikken til OPVs6,7,8. Den enorme interessen for teknologien har presset feltet til sin nåværende tilstand der mesterenheter fabrikkert i laboratorier overstiger 18% effektivitet9. Oppskalering av fabrikasjonen (f.eks. flytting fra spin-belegg på stive underlag til skalerbar deponering på fleksible underlag) er imidlertid ledsaget av betydelige tap i effektivitet10. Å bygge bro over dette gapet er dermed avgjørende for at OPVs skal bli konkurransedyktig med andre kommersielt tilgjengelige tynnfilmsolcelleteknologier.

OPV er en tynnfilmteknologi som består av flere funksjonelle lag. I denne demonstrasjonen er fokuset utelukkende på det fotoaktive laget. Dette laget er spesielt viktig, da det er her fotonene absorberes, og fotostrømmen genereres. Vanligvis består det fotoaktive laget av minst to bestanddeler, nemlig en donor og en acceptor. Her er fokuset på donorpolymeren P3HT i kombinasjon med enten O-IDTBR eller EH:IDTBR som acceptor11, med de kjemiske formlene som vist i figur 1. Den optimale utformingen av det fotoaktive laget er beskrevet som en bulk heterojunction (BHJ), hvor forbindelsene er blandet i hele enheten, som vist i figur 2. BHJ oppnås ved spor-dø belegg et blekk bestående av donor og acceptor i løsning10. Mens du belegger det våte blekket på underlaget, fordamper løsningsmiddelmolekylene, noe som etterlater donoren og akseptoren i en blandet tilstand. Fordelingen av donor/acceptor med hensyn til faseseparasjon, orientering, bestilling og størrelsesfordeling, kalles ofte BHJs morfologi. Morfologien til det aktive laget spiller en betydelig rolle i solcelleytelsen på grunn avarbeidsprinsippet 4,12. Arbeidsprinsippet er illustrert i figur 2 og kan beskrives i fire trinn: For det første absorberes et innkommende foton og interesserer et elektron fra den høyeste okkuperte molekylære orbitalen (HOMO) til den laveste ubebodde molekylære orbitalen (LUMO). Hullet (en ledig tilstand i HOMO) og det spente elektronet er bundet sammen. Dette bundne elektronhullparet kalles et eksiton. For det andre er exciton fri til å bevege seg rundt, og den omtrentlige gjennomsnittlige frie banen før rekombinasjon er 20 nm6. For det tredje, når exciton er nær et grensesnitt mellom donor og acceptor, er det energisk gunstig å dissosiere inn i et fritt elektron i LUMO av acceptor og et fritt hull i HOMO av donor. For det fjerde, hvis enheten er koblet til en krets, vil kostnadene dermed bli transportert til anoden og katoden. For å forbedre funksjonaliteten til OPVs, må morfologien optimaliseres for å imøtekomme hvert av de fire trinnene for å sikre at BHJ absorberer så mange av de innkommende fotonene som mulig og genererer så mange bevegelige kostnader som mulig. Det store vitenskapelige spørsmålet om den optimale morfologien gjenstår.

Dette er fortsatt et åpent spørsmål, og prosedyren for å optimalisere morfologien for en bestemt kombinasjon av donor og acceptor er så langt gjort av prøving og feiling. Optimale beleggforhold for blanding P3HT:O-IDTBR og P3HT:EH-IDTBR errapportert 13,14. Lignende eksperimentelle parametere ble brukt her for å forberede både P3HT: O-IDTBR og P3HT: EH-IDTBR roll-coated på et fleksibelt substrat ved 60 ° C, som beskrevet av Kuan Liu et al.15. De roll-coated OPVs har en invertertstruktur 16 og ble fabrikkert på fleksible underlag uten indium tinnoksid (ITO-fri), med strukturen PET / Ag-grid / PEDOT: PSS / ZnO /P3HT: O-IDTBR eller EH-IDTBR /PEDOT: PSS / Ag-grid, hvor lyset kommer inn gjennom PET-substratet. PEDOT: PSS er en forkortelse for poly (3,4-etylendioxythiophene) polystyrensulfonat og PET er poly(etylenterephthalate). Etter fabrikasjon er den endelige stabelen kuttet til små solceller med et fotoaktivt område på 1 cm2.

Standard midler for å karakterisere ytelsen til solceller inkluderer måling av gjeldende tetthet vs. spenning (J-V) kurver og ekstern quantum effektivitet (EQE) spektra. For både P3HT:O-IDTBR og P3HT:EH-IDTBRvises resultatene i figur 3 og tabell 1. Den lave 2,2% PCE av P3HT:EH-IDTBR solcellen skyldes sin lavere kortslutningsstrøm (JSC),som er delvis begrenset av serien motstand (Rs) på 9,0 Ω·cm2 sammenlignet med P3HT: O-IDTBR på 7,7 Ω·cm2. Den åpne kretsspenningen (VOC), er lik i begge enhetene (tabell 1), som gjenspeiler den elektroniske likheten til de to akseptorene. Solcellene P3HT:O-IDTBR og P3HT:EH-IDTBR er henholdsvis 1,60 eV og 1,72 eV, i samsvar med de optiske egenskapene som observeres av omskiftet i EQE vist i figur 3 og rapportert av Enrique P. S. J. et al.13. Vanligvis er en redshift på grunn av en mer krystallinsk struktur, og dermed forventes det at O-IDTBR har en høyere grad av krystallinitet enn EH-IDTBR for de spesifikke beleggforholdene. Den forbedrede JSC av P3HT: O-IDTBR solcelle er delvis på grunn av sin bredere spektral absorbans og enheten behandling forbedringer. De integrerte EQE-strømmene for EH-IDTBR- og O-IDTBR-baserte enheter er 5,5 og 8,0 mA/cm2 under 1 solbelysning som vist i figur 3. Fra EQE-profilene kan det ses at 1:1-masseforholdet er nær ideelt for P3HT: O-IDTBR, men er ikke optimal for P3HT: EH-IDTBR. Forskjellene i enhetsytelse kan delvis forklares av tilstedeværelsen av pinholes i P3HT:EH-IDTBR-filmen, mens P3HT: O-IDTBR vises glatt som vist i figur 4. Pinholes i P3HT: EH-IDTBR materialsystem er dekket av det påfølgende PEDOT: PSS-laget under solcellefabrikasjonen, og forhindrer kortslutning av enhetene. Videre er sidekjedene til akseptorene henholdsvis lineære og forgrenet, noe som fører til at deres løselighet varierer, og dermed deres tørking kinetikk. Man kan bruke en mini roll-to-roll coater for å sondere tørking kinetikk mens belegg, som etterligner de samme belegg forholdene av solcelle fabrikasjon17, som først demonstrert i 201518.

Her presenterer vi anvendelsen av en forbedret mini roll-to-roll slot-die belegg maskin for å utføre in situ GISAXS eksperimenter, for å sondere morfologien til tørkeblekk for OPVs med en in-house X-ray kilde. GISAXS er den foretrukne metoden for å undersøke størrelses-, form- og orienteringsdistribusjonene i eller på tynnfilmer19. Når du utfører et GISAXS-eksperiment, samles de spredte røntgenbildene som sonderer prøven, på en 2D-detektor. Den utfordrende delen er å velge riktig modell for å hente ønsket informasjon fra prøven som studeres. Derfor er tidligere informasjon om prøvestrukturen viktig for å velge en passende modell. Slik kunnskap kan fås fra atomkraftmikroskopi (AFM), transmisjonselektronmikroskopi (TEM) eller molekylære dynamikksimuleringer7. Her vil vi presentere hvorfor og hvordan du bruker rammeverket til Teubner og Strey20 for å modellere dataene hentet fra in situ GISAXS-eksperimentene for å hente størrelsesdistribusjonene av domenene inne i blekket for BHJs under tørking. Det er to fordeler ved å bruke en mini roll-to-roll coater. Først etterligner den store produksjonen 1:1; Dermed er vi sikre på at enhetens ytelse og aktivt lag kan sammenlignes direkte. For det andre, ved å bruke denne metoden, er vi i stand til å ha nok ferskt blekk i strålen for å tillate et in situ-eksperiment med en laboratorierøntgenkilde. Metodene for å utføre og analysere morfologien til tynnfilmer med GISAXS har utviklet seg raskt det siste tiåret18,21,22,23,24,25,26,27,28. Vanligvis, når du utfører et in situ GISAXS-eksperiment for å undersøke tørking av kinetikk av det aktive laget i OPVs, er det nødvendig med en synchrotron-kilde18,26,27. Synchrotron stråling er generelt foretrukket over en in-house X-ray kilde for å utføre et slikt eksperiment for å gi bedre tidsoppløsning og bedre statistikk. Synchrotrons er imidlertid ikke tilgjengelig på daglig basis og kan ikke justeres for å passe en produksjonslinje, derfor kan en in-house X-ray-kilde tjene som et nyttig daglig verktøy for å optimalisere blekkformuleringer, beleggforhold og for å få grunnleggende innsikt i fysikken til tørking av kinetikk. Den viktigste ulempen for å bruke en in-house røntgenkilde er materialforbruk. Siden røntgenstråler er minst fem størrelsesordener mindre enn ved en synchrotron, er det nødvendig med mer materiale for å oppnå tilstrekkelig statistikk. Derfor er denne teknikken ennå ikke egnet for ny materialoppdagelse, hvor bare små mengder materialer er tilgjengelige. For materialer som er billige og enkle å syntetisere, som også er en dominerende faktor for skalerbarhet29,vil denne metoden være en fordel over bruken av synchrotrons i jakten på å lukke effektivitetsgapet for store roll-to-roll belagt OPVs10,30.

Denne artikkelen vil veilede leseren gjennom å utføre in situ GISAXS eksperimenter for å sondere tørking kinetikk av blekk som gjelder for storskala produksjon av OPVs. Et eksempel på datareduksjon og analyse presenteres sammen med en diskusjon av ulike modeller for å tolke dataene.

Protocol

Denne protokollen er delt inn i fem underseksjoner. Først presenteres en prosedyre for fremstilling av blekk. For det andre er prosedyren for å forberede og utføre roll-to-roll slot-die belegg beskrevet. For det tredje presenteres en trinnvis veiledning for å utføre et in situ GISAXS-eksperiment. For det fjerde er en prosedyre for datakorrigering og analyse skissert. Til slutt rapporteres og diskuteres resultatene.

1. Tilberedning av blekk for roll-to-roll belegg (dag 1)

  1. Les MSDS av polymerer, molekyler og løsemidler nøye før du starter et eksperiment.
  2. Legg 90 mg O-IDTBR og 90 mg P3HT i et 10 ml hetteglass.
  3. Oppløs P3HT:O-IDTBR faste stoffer i 4,5 ml diklorobenzen:bromoanisole (0,95:0,05) løsningsmiddelblanding. Den endelige konsentrasjonen av blekket er da 180 mg / 4,5 ml = 40 mg / ml.
  4. Plasser en magnetisk røre i oppløsningen og forsegle hetteglasset umiddelbart. Plasser det forseglede hetteglasset på en kokeplate med en magnetisk rotator. Still rotasjonen på 300 o/min og kokeplaten ved 60 °C, og la den røre i 12 timer.
  5. Gjenta fremgangsmåten for klargjøring av blekk for P3HT:EH-IDTBR.

2. Klargjøring og utføre roll-to-roll spor dør belegg (dag 2)

  1. Slå av rotasjonen og kokeplaten. Fjern hetteglassene fra kokeplaten minst 1 time før du bruker det, for å oppnå romtemperatur på blekket når du belegger.
  2. Vind 18 m PET substrat folie på materen roll. Fest den frie enden av underlaget til winder roll som vist i figur 5. Start motoren for å kjøre folien 0,2 m for å stramme underlaget.
  3. Still inn den første kokeplaten i rulle-til-rulle-oppsettet ved ønsket temperatur (f.eks. 60 °C). Sett den andre kokeplaten ved 80 °C for å sikre at filmen tørkes når den vikles på winder-rullen. Vent ca 15 min for temperaturen på de to varme platene for å stabilisere.
  4. Legg 2,2 ml blekk i en 3 ml sprøyte. Monter sprøyten i pumpen. Fest et rør fra sprøyten til spor-dø belegghodet.
  5. Plasser belegget nær enden av den første kokeplaten ved å justere det horisontale oversettelsesstadiet, og plasser menisken før ca. 5 mm over underlaget.
  6. Sett sprøytepumpen på følgende belegginnstillinger: Hastighet: 0,08 ml/min, sprøytens diameter: 12,7 mm.
  7. Kontroller tykkelsen på det aktive laget ved å justere strømningshastigheten, f, og hastigheten på det bevegelige substratet, v, i henhold til denne formelen:
    Equation 1
    hvor w er bredden på filmen (bestemmes av meniskguiden), og ρ er tettheten av materialene i blekket. I dette eksperimentet bruker vi v= 0,6 m / min med en strømningshastighet på f= 0,08 ml / min, noe som resulterer i en film med en tørr tykkelse på 425 nm.
  8. Kritisk trinn: Trykk blekket manuelt fra sprøyten gjennom slangen og stopp 1 cm før blekket når beleggehodet. Start sprøytepumpen og vent på en dråpe for å våt hele bredden på menisk-guiden. Senk umiddelbart belegget for å tørre underlaget med blekket og løft deretter meniskføringen til beleggposisjonen 2 mm over underlaget.
  9. Start motoren som ender opp underlaget og begynn å belegge blekket.
  10. For å stoppe belegget, stopp pumpen og stopp det bevegelige substratet. Hev belegget til en sikker høyde (ca. 20 mm over underlaget). Rengjør deretter hodet og slangen med tetrahydrofuran.

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

  1. Beskrivelse av røntgenoppsett
    MERK: Den totale lengden på beiteforekomsten Small Angle X-ray setup er 4,5 m og består av en røntgenkilde, med fokus på optikk, en kollideringsseksjon, et prøvestadium, et flyrør, strålestopp og en detektor, som vist i figur 6. Røntgenkilden er en roterende anod fra Rigaku.
    1. Bruk en kobberanode for dette eksperimentet og sett driftstilstanden til 36 kV og 36 mA.
    2. Bruk eksperimentet i finfokusmodus. Optikken består av en 2D-fokusering av flerlags monokromator, som er justert for å optimalisere refleksjonen av Copper Kα-strålingen med en bølgelengde på 1,5418 Å. Collimation-delen består av tre pinholes plassert 45 cm, 141 cm og 207 cm nedstrøms fra røntgenkilden, henholdsvis. Diameteren på pinholes er henholdsvis 0,75 mm, 0,3 mm og 1,0 mm i diameter, med en probestørrelse på ca. 1,0 mm i prøveposisjonen, tilsvarende et strålefotavtrykk på 286 mm ved 0,2° forekomstvinkel. Strålen har en fluks ved prøven på 5 x 106 fotoner s-1 og en profil som vist i Figur 7, venstre panel.
    3. Kontroller at det er minst tre kontrollerbare motorer på prøvestadiet for å justere posisjonen til mini roll-to-roll-belegget. Nedstrøms av prøvestadiet, installere en 166 cm evakuert flyrør (mindre enn 0,01 mbar) på stativet etterfulgt av en Eiger 4M X-raydetektor 31.
  2. Monter rullebelegget.
    1. Fest mini roll-to-roll coater til goniometeret. Monter goniometeret med roll-to-roll-belegget på den optiske benken i prøveposisjonen.
    2. Fest de tre motorkablene. Fest goniometerstadiet til benken. Nærmer flyrøret så nær mini roll-to-roll coater som mulig.
  3. Kritisk trinn: Juster prøveposisjonen. Coat 10 cm av blekk og rulle filmen inn i strålen. Prosedyren for justering er tredoblet.
    1. Juster prøven parallelt med strålen. Dette oppnås ved en iterativ prosess for å skanne den oppsummerte intensiteten av den direkte strålen som en funksjon av vertikal prøveposisjon og forekomstvinkel.
    2. Juster prøven til en bestemt forekomstvinkel, αi, ved å beregne vinkelen fra den reflekterte strålen på detektoren med følgende formel:
      Equation 1  (1)
      der RB er den reflekterte stråleposisjonen, er DB den direkte stråleposisjonen (begge målt i cm), og SDD er prøve-til-detektor-avstand, her 166 cm.
    3. Optimaliser intensiteten i den reflekterte strålen ved å skanne høyden på prøveposisjonen. For dette eksperimentet, bruk en forekomst vinkel på 0,2°. 2D-dataene for denne prosedyren vises i figur 7.
  4. Valg av forekomstvinkel
    1. Velg vinkelen på forekomsten for å sikre penetrasjon i lagene av interesse. Her vil dette være en forekomst vinkel på 0,2°.
      MERK: For dette eksperimentet består interessefilmen av løsemiddel, P3HT og IDTBR. Både P3HT og O-IDTBR har en høyere tetthet enn løsningsmidlet, og har antagelig den høyeste kritiske vinkelen for total refleksjon. Den kritiske vinkelen på P3HT og O-IDBTR kan variere i henhold til deres pakking, noe som resulterer i en kritisk vinkel som varierer fra 0,16 ° - 0,19 °, forutsatt en tetthet av fast stoff på 1,1 - 1,35 g/cm3. Dermed ble 0,2° valgt for å sikre penetrasjon i hoveddelen av filmen. Hvis du vil utføre et GISAXS-eksperiment på et annet prøvesystem, evaluerer du den best egnede insidensvinkelen foret bestemt utvalg 28,59.
  5. Monter bjelken like før detektoren, noe som vil forlenge levetiden til detektoren. Bruk en sirkulær strålestopp for den direkte strålen og et ekstra tynt rektangulært strålestopp for å blokkere den reflekterte strålen. Strålestoppet må blokkere direkte strålen, men samtidig tillate påvisning av spredning i lave spredningsvinkler.
    MERK: Det er mulig å utføre dette eksperimentet uten en strålestopp for å tillate konstant sporing av den reflekterte strålen.
  6. Installer punktsuging. Plasser punktsugingen for å fjerne alle gassene fra fordampende løsemidler. Fest punktsugingen for å sikre at luftstrømmen ved prøven er den samme ved hvert eksperiment.
  7. Legg en sprøyte med 2,2 ml blekk og legg sprøyten i sprøytepumpen. Trykk blekket manuelt fra sprøyten gjennom slangen og stopp 1 cm før blekket når beleggehodet.
  8. Still inn avstanden fra belegghodet til røntgenstrålen. Plasser belegget i en posisjon på 120 mm forskjøvet fra røntgenstrålen langs foliens bevegelige retning, for å sikre en tørketid på 12 sekunder (i 3 sekunder med tørketid, plasser belegget 30 mm fra røntgenstrålen) som vist i figur 8.
  9. Start roll-to-roll slot-die belegg. Plasser høyden på menisk-guiden 5 mm over underlaget.
    1. Start sprøytepumpen og vent på en dråpe for å våt hele bredden på menisk-guiden. Senk umiddelbart belegget for å tørre substratet med blekk, og løft deretter meniskføringen til beleggposisjonen 2 mm over underlaget.
    2. Start motoren som ender opp underlaget og begynn å belegge blekket.
  10. Begynn å registrere data. Åpne røntgenlukkeren og start opptaksdata i 3000 sekunder.
    MERK: Dette eksperimentet ble gjort med en eksponering på 3000 sekunder, en mer robust metode er å utføre flere kortere eksponeringer for å tillate fleksibel temporal binning av data.
  11. Overvåk kvaliteten på den belagte filmen med et kamera. Se etter de-fuktende effekter av filmen på underlaget og menisk feiljusteringer. Stopp om nødvendig målingene og gjør om eksperimentet om nødvendig.
    1. Lukk røntgenlukkeren på slutten av eksperimentet. Slå av røntgenstrålen eksternt. Stopp sprøytepumpen, løft beleggehodet og slapp av folien. Gjenta denne fremgangsmåten med en annen innstilling for en rekke eksperimenter.

4. Databehandling

MERK: Fire eksperimenter ble utført, og de spesifikke parameterne finnes i tabell 2. Et av forsøkene med P3HT:O-IDTBR ble stoppet etter 2732 sekunder på grunn av en sprøytepumpefeil; Derfor må signalet normaliseres for å ta høyde for forskjellen i anskaffelsestid.

  1. Korrigering av data
    1. Bruk først en maske til å korrigere for strålestopp og døde piksler33. Følg med et kosmisk strålefilter utviklet av SAXSLAB, deretter flat feltkorreksjon, tidskorrigering, et filter for de ekstra spredningstoppene som oppstår fra polykrystallinsk aluminium som er tydelig synlige i de to datasettene som vises i figur 9, venstre panel.
  2. Fra ekte til gjensidig plass
    1. Konverter 2D-dataene fra det virkelige rommet til den gjensidige romvektoren qx, y, z i enheter av Å-1 ved hjelp av denne formelen:
      Equation 1  (2)
      Her er α jeg forekomsten vinkel med hensyn til normalen av overflaten, α f er utgang / siste vinkel på detektoren (vertikal på detektoren), 2θf er utgang / endelig vinkel i flyet (horisontal på detektoren), og λ er bølgelengden av hendelsen strålen. Anta at bølgelengden skal bevares, også kjent som elastisk spredning34.
  3. Horisontal linjeintegrasjon på Yoneda-linjen
    1. Bestem x- og y-koordinaten for henholdsvis midten av strålen, og prøven til detektoravstand (SDD = 1,66 m), bølgelengden til røntgenstrålene (1,5418 Å) og pikselstørrelse i hver retning (75 x 75 μm2).
    2. Beregn den forventede posisjonen til Yoneda-linjen fra den kritiske vinkelen på det undersøkte utvalget28,34,35,36.
    3. Hent spredningsintensiteten som en funksjon av spredningsvektor qxy, ved hjelp av et MatLab-skript eller ved hjelp av dedikert programvare som DPDAK eller Xi-Cam38,39. Utfør horisontal linjeintegrering langs Yoneda-linjen som angitt i figur 9, med en bredde på 50 piksler til hver side for å sikre et tilfredsstillende signal-til-støy-forhold.
  4. Binning av horisontal integrasjon
    1. For å unngå oversampling (se figur 9, høyre panel) og for å øke signal-til-støy-forholdet for de store spredningsvektorene qxy, bin dataene logaritmisk40.
    2. Ikke bin datapunktene opp til qxy = 0,5 x 10-3Å. Dette er ikke nødvendig på grunn av høy intensitet og gjensidig avstand i q-space,noe som sikrer at det ikke er overflødige datapunkter.
    3. Fra qxy = 0,5 x 10-3Å og over, dele qxy-aksen i 135 like mellomrom bins på en logaritmisk skala, på en slik måte at den første bin på qxy = 0,53 x 10-3Å er gjennomsnittet av to datapunkter, og den endelige binned punkt på qxy = 0,3Å er et gjennomsnitt på 24 poeng.
  5. Bruke Teubner-Strey-modellen
    1. Bruk tre Teubner-Strey-bidrag for å beskrive dataene. De to første bidragene beskriver kontrasten mellom donor/acceptor og det siste bidraget beskriver kontrasten mellom større materialer omgitt av løsningsmidlet. Det matematiske uttrykket for spredningsintensiteten er som følger:
      Equation 1  (3)
      der β er en konstant bakgrunn, parametrene a1,i, c1,i, c2,jeg er definert i formav domenestørrelse, d i , og korrelasjon lengde ώi, som følger:

      Equation 1 (4)
      Fra ligninger (4) kan domenestørrelsen og korrelasjonslengden uttrykkes som følger:
      Equation 1  (5)
      Og
      Equation 1  (6)
      der d1, ώ1,d2 og ώ2 er parametrene for donor/acceptor faser, og d3 og ώ3 er parametrene for aggregatet/løsemiddelfaser. De monterte modellene er vist i figur 10. Resultatene fra de fire passer, basert på den beskrevne Teubner-Strey-modellen, finnes i tabell 3.

Representative Results

Først og fremst beskriver dette papiret metoden og protokollen for å utføre et vellykket roll-to-roll in situ in-house GISAXS-eksperiment for å undersøke tørking av tynnfilmer. Basert på tilpasningen kan den utledes at Teubner-Strey-modellen beskriver dataene for P3HT:EH-IDTBR og P3HT:O-IDTBR i både 12 og 3 sekunder med tørking som vist i figur 10.

De karakteristiske lengdeskalaene basert på Teubner-Strey-modellen finnes i tabell 3 med tilsvarende usikkerheter i tabell 4. For alle fire passer, domenestørrelse og korrelasjonslengde for den høyeste qxy, d1 og ώ1, er nær samme verdi, varierende fra 12,0 ± 1,7 nm til 12,5 ± 2,2 nm og fra 3,9 ± 0,4 nm til 5,0 ± 0,4nm. Disse to karakteristiske størrelser og lengder ligner verdiene rapportert i litteratur for tørrfilm bulk heterojunctions av P3HT: IDTBR og P3HT: PCBM41,42. For de store strukturene, d3 og ώ3,er det en klar tendens til at strukturene blir større når den tørker. For P3HT:EH-IDTBR øker den fra 225 ± 10,3 nm til 562 ± 11,1 nm, og for P3HT:O-IDTBR øker den fra 241 ± 4,1 nm til 489 ± 9,2 nm. Korrelasjonslengdene, d2, er funnet til 30 ± 12 nm og 34 ± 3,5 nm for P3HT:O-IDTBR og 41 ± 14 nm for begge P3HT:EH-IDTBR eksperimenter. Merkbart er d2 mer uttalt etter 3 sekunder med tørking enn etter 12 sekunder med tørking for P3HT:O. IDTBR i motsetning til P3HT:EH-IDTBR, hvor d2 er mer uttalt etter 12 sekunder med tørking enn etter 3 sekunder med tørking. Hvorvidt d2 oppløses for å bidra til signalet oppnådd ved d1 eller klynge for å bidra til d3, bestemmes ikke i dette eksperimentet.

Basert på formalismen av Teubner-Strey20, de karakteristiske parametrene for en1,i, c1,i, c2,jeg indikererat små lengde skalaer, en1,1, c1,1, c2,1, en1,2, c1,2, c2,2, er karakteristisk for en tidlig fase av spinodal nedbrytning der de to fasene er intermixing43. Dette er i samsvar med den generelle forståelsen av morfologien til donor/acceptor intermixing. De store lengdeskalaene, en1,3, c1,3, c2,3, er karakteristiske for mikroemulsjoner20, som skyldes kontrasten (elektrontetthetsforskjell) mellom aggregater av materiale og løsningsmiddel. Fra dette eksperimentet er det umulig å skille mellom om disse karakteristiske parametrene på d3 er forårsaket av forskjellen på elektrontetthet mellom enten P3HT:O-IDTBR/Løsningsmiddel, O-IDTBR/Løsningsmiddel eller P3HT/løsningsmiddel.

For å passe en modell til røntgen, er spredningsdata et iboende inverst problem. Derfor kan flere modeller brukes til å beskrive spredningsdataene. For denne analysen ble formuleringen av Teubner og Strey20,44 brukt for å passe dataene. Rammeverket stammer fra en ordreparameterutvidelse av Landau fri energi for å beskrive spredningsintensiteten fra tofasesystemer. Tolkning av modellen er en abstrakt geometrisk struktur av et tofaset system med en karakteristisk domenestørrelse og en korrelasjonslengde som kjent fra statistiskmekanikk 45.

Det finnes mange sofistikerte modeller som kan forutsi 2D-data fra GISAXS eksperimenter, og brukervennlige programmer34,46 å modellere dette. Vanligvis er GISAXS-data fra BHJ modellert med distorted Wave Born Approximation (DWBA) med svært høy nøyaktighet27,40,47,48. Likevel er den største ulempen at den modellerte strukturen ikke tilsvarer kompleksiteten som forventes i en BHJ. En enklere tilnærming er å begrense analysen til qxy-retningen. Når bare 1D horisontale linjekutt i qxy vurderes, er det rimelig å anta at den viktigste bidragsyteren til spredning oppstår fra sidestrukturene som er tilstede i filmen. Forutsatt at dette kan vises at momentumoverføringen hentet fra de horisontale linjekuttene tilsvarer overføring SAXS49,50, hvorfra Teubner-Strey er avledet20 og derfor gyldig for analysen som presenteres her.

Denne modellen er valgt av tre grunner: For det første er modellen et analytisk uttrykk som har vist seg å passe en rekke tofasede systemer, inkludert BHJ20,26,51, og den kan brukes for svært hurtigsittende algoritmer, som gjelder for storskala kvalitetskontroll og for in situ målinger. For det andre, så vidt vi vet, er denne modellen i samsvar med morfologien observert for P3HT: O-IDTBR ved overføring elektronmikroskopi (TEM)52 og atomkraftmikroskopi (AFM)42. For det tredje er det en enkel modell, det vil si at den strekker seg over et lite parameterområde.

Videre dokumenterer dette papiret at tørking av kinetikk av ikke-fulleren organiske solceller med en in-house røntgenkilde er mulig. I tillegg har denne metoden potensial til å tjene som et verktøy for å akselerere forskningen i store roll-to-roll belagt OPVs.

Figure 1
Figur 1: Kjemisk struktur av P3HT, O-IDTBR og EH-IDTBR. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 2
Figur 2: (Venstre) Arbeidsprinsipp for en bulk heterojunction organisk solcelle. Sollys skaper et eksiton, som ved separasjon gjør at hullet og elektronet kan spre seg til henholdsvis katoden og anoden. (Høyre) Energidiagram over HOMO- og LUMO-nivåene til donor- og acceptoren. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 3
Figur 3: (Venstre) JV-kurver for rullespor dør belagt på fleksibelt substrat P3HT:O-IDTBR og P3HT:EH-IDTBR, tilsvarende de beste enhetene som vises i tabell 1. (Høyre) EQE kurver av rullespor dør belagt på fleksibelt substrat P3HT: O-IDTBR og P3HT: EH-IDTBR. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 4
Figur 4: Bilder av de to blekkene, rulle belagt på PET substrat. Toppen er P3HT: EH-IDTBR og bunnen er P3HT: O-IDTBR. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 5
Figur 5: (Venstre) Bilde av mini roll-to-roll coater. 1. a) 1.b) indikerer henholdsvis rotasjonssenteret på foliemateren og mottakeren. Motoren er på baksiden av roll-to-roll coater og er en stepper motor. 2) Oversettelse stadier for belegget hodet, som kan bevege seg i alle tre retninger, langs folien, opp og ned, og utover og innover. 3) Sporet dør belegg hodet, hvor en slange med blekk kan festes. 4) De to kokeplatene, indikert av de to pilene, som vil varme det bevegelige substratet til ønsket temperatur. I dette eksperimentet ble det satt til 60 °C. Alle deler styres eksternt. (Høyre) Roll-to-roll coater installert på GISAXS-oppsettet. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 6
Figur 6: Eksperimentell oppsett for beite forekomst liten vinkel x-ray spredning. 1) X-ray kilde er en roterende anode laget av Rigaku. En roterende anod laget av kobber ble operert ved 36 kV 36 mA. 2) Optikk delen, hvor Cu Kα karakteristisk fluorescens fra roterende anode diffract fra en enkelt sprett flerlags speil, noe som gjør strålen monokromatisk ved bølgelengde: λ = 1.5418 Å. 3) Attenuator stasjon, som ikke ble brukt for dette eksperimentet. 4) Collimation seksjon, bestående av tre pinholes etter hverandre som angitt med de tre pilene. Diameteren på pin hullene er henholdsvis 0, 75 mm, 0,3 mm og 1,0 mm. 5) Mini roll-to-roll coater posisjon festet til en vertikal bevegelig akse og et goniometer for å kontrollere forekomsten vinkel. 6) Flight tube i vakuum. 7) Eiger 4M detektor. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 7
Figur 7: Tre trinn i justeringsprosedyren illustrert som rå Eiger 4M-data. (Venstre) Først må du kontrollere at det ikke er noe som blokkerer direkte strålen. I dette eksemplet er strålestoppet plassert like til venstre og under direkte strålen. (Midten) Skann prøven langs den vertikale aksen og plasser den der halvparten av den direkte strålen er blokkert av prøven. Deretter roterer du prøven for å gradvis endre forekomsten vinkel og plassere prøven der intensiteten av den direkte strålen er høyest. Denne prosedyren må gjøres 3-5 ganger for å sikre at prøven er helt parallell med strålen. (Høyre) Drei prøven til det oppstår en klar refleksjon på detektoren. Fra disse to posisjonene kan den nøyaktige hendelsesvinkelen beregnes (se tekst). Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 8
Figur 8: To stadier av tørking sett fra to forskjellige vinkler. (Venstre) er den våte scenen, hvor filmen har tørket i 3 sekunder før den ble undersøkt. (Høyre) er den tørre scenen hvor filmen har tørket i 12 sekunder. Kontrasten har blitt økt for å visualisere effekten av kantene tørking. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 9
Figur 9: (Venstre) 2D-data P3HT:O-IDTBR ved 12 sekunder med tørking med 3000 sekunder med anskaffelsestid. Det røde rektangelet indikerer hvor den horisontale integrasjonen er utført og de intense områdene merket som aluminiumstopp stammer fra varmeplaten. (Høyre) Den horisontale integrasjonen fra det røde rektangelet der q-vektorene til aluminiumstoppene utelates fra integreringen. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 10
Figur 10: Binned horisontal linjeintegrasjon for de fire eksperimentene: P3HT:EH-IDTBR (svart) og P3HT: O-IDTBR (blå) probed på begge 12 sekunder (trekanter) og 3 sekunder (firkanter) av tørking sammen med Teubner-Strey passer. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Tørketid (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

Tabell 1: Optoelektroniske egenskaper på 1 cm2 organiske solceller basert på P3HT:O-IDTBR og P3HT:EH-IDTBR viser effektkonverteringseffektiviteten (PCE), kortslutningsstrømtettheten (JSC),fyllfaktoren (FF) og åpen kretsspenning (VOC), under 100 mW/cm2 belysning.

P3HT:EH-IDTBR Pce
(%)		 JSC
(MA/cm2)		 Ff
(%)		 VOC Leilighet
(iV)
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
Gjennomsnittlig 2.07 5.01 58.49 0.70
eksempel på stativding 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
Gjennomsnittlig 3.22 7.58 60.08 0.71
eksempel på stativding 0.14 0.26 0.70 0.00

Tabell 2: Oversikt over data. P3HT:O-IDTBR med tørketid på 3,0 s ble stoppet etter 2732 s på grunn av en sprøytepumpefeil.

Monterte verdier d1 [nm] ώ1 [nm] d2 [nm] ώ2 [nm] d3 [nm] ώ3 [nm]
EH-IDTBR 12s 12.2 4.7 41 22 562 20
EH-IDTBR 3s 12.0 5.0 41 17 225 18
O-IDTBR 12-ere 12.4 4.8 34 32 489 16
O-IDTBR 3s 12.5 3.9 30 18 241 13

Tabell 3: Monterte verdier fra de fire eksperimentene. Alle enheter av [nm].

Feil d1 [nm] ώ1 [nm] d2 [nm] ώ2 [nm] d3 [nm] ώ3 [nm]
EH-IDTBR 12s 1.4 0.2 10 3.2 11.1 1.7
EH-IDTBR 3s 1.7 0.4 14 2.1 10.3 1.9
O-IDTBR 12-ere 2.1 0.3 3.5 2.7 9.2 1.5
O-IDTBR 3s 2.2 0.4 12.0 1.3 4.1 0.6

Tabell 4: Standardavvik for de monterte verdiene fra de fire eksperimentene. Alle enheter av [nm].

Discussion

Insidensvinkelen er svært viktig for et GISAXS-eksperiment. Det kan stilles spørsmålstegn ved hvor stabil filmen vil bevege seg med hensyn til forekomsten vinkel under roll-to-roll belegg av 18 meter film på et fleksibelt substrat. For eksperimentene som utføres i denne demonstrasjonen, kan vi ikke bevise stabiliteten til det bevegelige substratet, men tidligere publiserte data der en eldre versjon av oppsettet brukes, dokumentere en stabil film18,21. Tidligere synchrotron eksperimenter der denne roll-to-roll coater har blitt brukt har vist at forekomsten vinkelen ikke varierer mer enn ± 0,03 ° som evaluert av plasseringen av den reflekterte strålen som en funksjon av tid (med en timelig oppløsning på 0,1 s), som er lik ± 12 piksler fra Yoneda linje for dette eksperimentet, mens den horisontale linjeintegrasjonen ble gjort med ± 50 piksler. Under forutsetningen for denne analysen vil denne lille endringen av forekomstvinkelen ikke påvirke analysen av dette arbeidet og kan derfor bli neglisjert. I fremtiden bør denne typen eksperimenter utføres uten en strålestopp og med kontinuerlig innsamling av data for å undersøke forekomstens vinkel gjennom hele eksperimentet.

Luftkonveksjon over tørkefilmen, relativ trykk og relativ fuktighet er kjent for å påvirke tørkeprofilen til tynnfilmer; Dermed, for å gjøre et fullt reproduserbart eksperiment, er nøye måling av disse parametrene en nødvendighet. Sammenligning mellom de fire målingene i dette papiret er gyldig på grunn av det faktum at disse ble belagt under nøyaktig samme forhold på samme dag.

For å utføre et roll-to-roll in situ GISAXS-eksperiment, må flere kriterier oppfylles for å sikre et vellykket eksperiment. Forskjellene i elektrontetthet (kontrast) mellom materialene må være høye nok for å ha et spredningssignal. Retningslinjer for dette emnet er publisert J. Als-Nielsen et al.53.

På grunn av den lave røntgenfluksen til en laboratoriekilde i forhold til en synchrotron, er det nødvendig med mye mer materiale for å utføre slike eksperimenter. Dermed er det ikke fullt anvendelig for materialoppdagelse, men vil tjene som et verktøy for optimalisering av formuleringer av blekk som er relevante for OPVs. I tillegg, på grunn av lav fluks, er det bare mulig å utføre grovere eksperimenter med hensyn til den timelige oppløsningen av tørkeblekk. Under slike eksperimenter undersøker vi 18 meter aktivt lag under tørking. Vi forventer små variasjoner i den store morfologien gjennom hele eksperimentet, og vi sonderer derfor gjennomsnittet av 18 meter belagt film. Dette etterligner forholdene til en storskala fabrikasjon. Hvis inhomogeniteten innen få meter skal studeres, er det nødvendig med synchrotronstråling.

Å utføre eksponeringer på 3000 sekunder er ikke den optimale eksperimentelle designen. En mer robust metode er å utføre flere kortere eksponeringer for å tillate fleksibel temporal binning av data for å analysere de store homogenitetene og å undersøke forekomsten vinkelen til enhver tid.

Så vidt vi vet, er dette den første demonstrasjonen av å utføre en in situ GISAXS på roll-to-roll belegg av blekk for OPVs på et laboratorium X-ray kilde, selv om vi tidligere har vist lignende eksperimenter analysere krystallinsk diffraksjon signal54,55. Med denne demonstrasjonen og protokollen tror vi det vil være lettere å søke og utføre in situ GISAXS eksperimenter for forskere, studenter og utvikle ingeniører. Dette kan potensielt akselerere forskningsfeltet, rett og slett fordi det er mulig å få tilgang til slikt utstyr på daglig basis. I tillegg, ved hjelp av en roll-to-roll coater er det mulig å sammenligne solcelleytelsen med de strukturelle egenskapene som er undersøkt i dette eksperimentet, 1:1.

Forbedringer av det eksperimentelle oppsettet er nødvendig for å utnytte alle fordelene ved å ha en i huset røntgenkilde. I tillegg til å øke den brukbare røntgenfluksen for små laboratoriekilder, er det første trinnet for forbedring av dette eksperimentet å unngå spredning av topper fra aluminium som overliggender dataene, som vist i figur 9 (venstre). Dette kan realiseres ved å installere en røntgenabsorberende substratholder som tåler temperaturer opp til 150 °C for riktig oppvarming. I tillegg vil vaktåpninger like før prøven forbedre datakvaliteten. Denne demonstrasjonen er ikke utelukkende av interesse for forskning i det organiske solcellesamfunnet, men ethvert felt som forsker på eller optimaliserer beleggparametere for tynnfilmteknologier. Ved å kombinere denne teknikken med samtidige GIWAXS, hvor krystallinske strukturer er probed, vil ytterligere øke antall vitenskapelige felt der i huset roll-to-roll røntgeneksperimenter gjelder.

Siden disse in situ roll-to-roll-eksperimentene sonderer våte filmer, er det gunstig hvis løsningsmidlet ikke absorberer for store brøkdeler av den opplyste røntgenstrålen. Generelt polymer: PCBM-systemer har en stor kontrast og kombinert med et løsningsmiddel som ikke inneholder klor (som er en sterk røntgenabsorbator) vil garantere en stor kontrast, og dermed en høy spredningsintensitet. For dette eksperimentet er kontrasten til P3HT: IDTBR liten og kombinert med et klorert løsningsmiddel er spredningsintensiteten lav. Disse materialene er ikke ideelle for et slikt eksperiment, men veldig interessant for solceller, og derfor må denne teknikken videreutvikles for å sikre at systemer med lav kontrast og høy absorbans også kan undersøkes. Valget av modell er den mest avgjørende faktoren for å utføre en komparativ analyse på tvers av flere GISAXS-eksperimenter. For analysen som presenteres i denne artikkelen, ble rammeverket til Teubner-Strey brukt for å beskrive de fire datasettene. Den beste metoden for å velge en modell er å ha ab initio informasjon om formen og størrelsen på den undersøkte prøven. Dette kan oppnås fra enten TEM-bilder, simuleringer eller mikroskopbilder. Begrunnelsen bak vårt valg av modell er oppgitt i teksten, men det bør bemerkes at flere modeller kan velges for å beskrive slike GISAXS-data. Teubner-Strey-modellen ble opprinnelig utviklet for overføring AV SAXS, men har med hell modellert GIWAXS-data fra BHJ-solcellerfør 51 og nå her. Ytterligere forbedringer er å tilpasse abstrakte geometriske modeller som kjent fra molekylære dynamikksimuleringer og bruke DWBA til modell 2D-data. Alternative modeller inkluderer: strenge geometriske objekter med en grad av polydisperse fordeling av størrelse som beskrevet og brukt i53, hvor DWBA er nødvendig for å modellere 2D-data, en kombinasjon av Fresnel reflektivitet og gaussiske distribusjoner for å passe bestilte systemer som co-blokk polymerer GISAXS signaler56, perle modeller hovedsakelig for biologiske prøver57, og fraktal geometri58,59.

Disclosures

Forfatterne har ingenting å avsløre.

Acknowledgments

Forfatterne ønsker å anerkjenne de to teknikerne som bidro til å gjenoppbygge og vedlikeholde instrumentet, Kristian Larsen og Mike Wichmann. Videre vil forfatterne takke Roar R. Søndergaard og Anders Skovbo Gertsen for fruktbare diskusjoner. Denne studien ble støttet av Det europeiske forskningsrådet (ERC) under Den europeiske unions forsknings- og innovasjonsprogram Horizon 2020 (SEEWHI Consolidator 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

Kjemi Utgave 169 in situ GISAXS organiske solceller ikke-fulleren acceptor roll-to-roll belegg Teubner-Strey tørking kinetikk
In situ Beite forekomst liten vinkel x-ray spredning på roll-to-roll belegg av organiske solceller med laboratoriet 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