벌크 이종 접합 태양 전지의 인쇄 제작 및
1Materials Sciences Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, 2Department of Polymer Science and Engineering, University of Massachusetts, Amherst, 3Advanced Light Source, Lawrence Berkeley National Laboratory

Published 1/29/2017
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Engineering

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Summary

여기서는 미니 슬롯 다이 코터 싱크로트론 산란 기법을 사용하여 종래의 라인 구조를 사용하여 특성화 유기 박막 태양 전지를 제조하는 프로토콜을 제시한다.

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Liu, F., Ferdous, S., Wan, X., Zhu, C., Schaible, E., Hexemer, A., et al. Printing Fabrication of Bulk Heterojunction Solar Cells and In Situ Morphology Characterization. J. Vis. Exp. (119), e53710, doi:10.3791/53710 (2017).

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Abstract

Introduction

유기 광전지 (OPV)은 가까운 미래에 경제적 재생 에너지를 생성하기위한 유망한 기술이다. 1, 2, 3 엄청난 노력은 광 활성 중합체를 개발하고 고효율 소자를 제조하게되었다. 지금까지 단층 OPV 장치는> 10 %의 전력 변환 효율 (PCE)를 달성했다. 이러한 효율은 큰 크기의 스케일 장치 실험실 규모의 필름을 생성하기 위해 스핀 코팅 법을 사용하는 장치 및 번역 달성 된 PCE의 상당한 절감을 내포하고있다. 업계에서 4, 5는, 롤 투롤 (R2R) 기반의 박막 코팅은 특히 용매 제거 속도에서, 전형적인 실험실 규모의 공정에서 매우 다르다 도전성 기판에 광자 활성 박막을 생성하는 데 사용된다. 모폴로지이 기 때문에 이것은 중요하다netically 상분리, 주문, 방위 및 용매 증발을 포함한 여러 운동 프로세스 사이의 상호 작용으로 인해, 포획. 6,도 7이 동 역학적 트랩 형태는 비록 대부분의 태양 전지 소자의 성능을 결정한다. 따라서, 코팅 과정 형태의 개발을 이해하는 것은 성능을 최적화 할 수 있도록 형태를 조작하기위한 높은 중요하다.

형태의 최적화 용매가 제거 될 때 용액 중의 정공 전도성 중합체의 주문과 관련된 역학의 이해가 필요; 8, 9는 플러렌 기반 전자 도체 중합체의 상호 작용을 정량; 모토를 정의 첨가제의 역할 이해를 10, 11, 12학의 뜻; 13, 14, 15 및 용매 (들) 및 첨가제를 증발의 상대 속도를 균형. (16)이 공업 적으로 중요한 설정 활성층 정량적 형태의 발전을 특징에 도전했다. 롤 - 투 - 롤 공정은 대규모 OPV 소자의 제조를 위해 검토되고있다. 4 (17) 그러나, 이러한 연구들은 효과적으로 연구 시판 중합체로 제한 재료의 많은 양이 사용되는 제조 환경에서 수행되었다.

본 논문에서는 미니 슬롯 다이 코팅 시스템을 사용 OPV 장치를 제조하는 기술 내용이 입증된다. 이러한 막 건조 동력학 및 막 두께 제어 등의 코팅 변수에 직접 산업 FA에 관한 연구를하게 대규모 공정에 적용brication. 또한, 재료의 매우 작은 양의 새로운 합성 물질이 처리를 적용하게 미니 슬롯 다이 코팅 실험에 사용된다. 설계에있어서,이 미니 슬롯 다이 코터는 싱크로트론 엔드 스테이션에 장착 및 진화에 대한 실시간 조사를 가능하게하는데 사용될 수있다 따라서 입사 소각 X 선 산란 (GISAXS) 및 X 선 회절 (GIXD)를 나온 수 길이의 넓은 범위에 걸쳐 형태의 공정 조건의 범위 하에서 필름 건조 공정의 다른 단계에서 확장. 이 연구에서 얻은 정보를 직접 산업 제조 환경에 전송 될 수있다. 사용 된 재료의 소량의 광 활성 물질 및 다양한 처리 조건에서 혼합물을 다수의 신속한 선별을 가능하게한다.

저역 공액 고분자 계 반 결정질 및 디케 토피 롤로 피롤 quaterthiophene (DPPBT) 모델 공여체 물질로서 사용하고, (6,6) - 페닐 C71-butyri되고C 산 메틸 에스테르 (PC 71 BM)은 전자 수용체로 사용된다. 18, 19은 DPPBT 이전 연구에 도시된다 : 용매로서 클로로포름을 사용하는 경우 PC (71)는 BM 블렌드 대형 상분리를 형성한다. 클로로포름 : 1,2- 디클로로 벤젠 용매 혼합물이 상 분리의 크기를 감소시키고, 따라서 장치의 성능을 증가시킬 수있다. 용매를 건조 과정에서 형태 형성은 입사 X 선 회절 및 산란 방목하여 동일계에서 조사된다. 태양 전지 소자는 미니 슬롯 다이 코터 장치의 제조 코팅 스핀 유사한 최상의 혼합 용매의 조건 (20)을 사용하여 5.2 %의 평균 PCE 나타났다하여 제조. 미니 슬롯 다이 코터는 공업 REL 이러한 물질의 예측 가능성에 갭을 채우고, 산업 공정을 모방 연구 실험실 설정에서 태양 전지 소자를 제조하기위한 새로운 길을 여는evant 설정.

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Protocol

1. 광자 활성 혼합 잉크 제조

  1. DPPBT 중합체 10 ㎎ 및 PC (71) BM 재료 10 ㎎ (도 1에 도시 된 화학 구조)를 단다. 4 ㎖의 유리 병에서 그들을 섞는다.
  2. 1.5 ml의 클로로포름을 첨가하고, 혼합물에 1,2- 디클로로 벤젠의 75 μl를 추가합니다.
  3. , 유리 병에 작은 교반 막대를 넣어 폴리 테트라 플루오로 에틸렌 (PTFE) 캡 바이알을 닫고, 핫 플레이트에 유리 병을 전송합니다. 에 ~ 400 rpm으로, 열 ~ 50 ° C 하룻밤, 사용하기 전에 충분히 교반하십시오.

2. ITO 및 웨이퍼 기판 청소 및 준비

  1. 로드 테프론 세정 래크에 인듐 (반 ITO 제거로 3 인치 × 1 인치), 산화 주석 (ITO), 유리 기판이나 실리콘 웨이퍼를 프리 패터닝 및 유리 컨테이너 (도 2)에 랙을 넣어. 유리 용기에 (300 ㎖, 1 % 만능 세제)을 희석 된 세제 용액을 첨가하고 15 분 동안 초음파 처리 및 초음파 처리로 유리 용기에 넣어.
  2. 세제를 제거하고 탈 이온수 (DI) 물 몇 번으로 ITO 유리를 씻어. 이어서 용기에 300㎖의 탈 이온수를 추가하고, 또 다른 15 분 동안 초음파 처리에 유리 용기에 넣어.
  3. 컨테이너에서 물을 제거합니다. 용기에 300㎖의 아세톤을 추가하고 15 분 동안 초음파 처리.
  4. 아세톤을 제거합니다. 유리 용기에 300 ml의 2 isopranol를 추가 한 다음 15 분 동안 초음파 처리.
  5. 청소가 오븐 속으로 랙 이동합니다. 100 ° C의 오븐 온도를 설정하고 ITO 유리가 완전히 건조 될 때까지 3-5 시간을 기다립니다.
  6. 청소 기판을 꺼냅니다. 자외선 오존 청소기 또는 산소 플라즈마 클리너로 전송합니다. 제조 업체의 프로토콜에 따라 ~ 15 분을 청소하는 고성능 UV 오존 플라즈마를 사용합니다.
  7. 스핀 코터에 세정 된 기판을 넣어 150 ㎕의 폴리 (3,4- 에틸렌) 폴리스티렌 술폰산을 추가 (PEDOT : PSS) 코팅 3,000 rpm에서 세정 된 기판 상에 용액을 스핀 코트~ 30 nm 두께의 PEDOT : PSS (PEDOT : PSS 4083)이 ITO 유리 또는 실리콘 중 웨이퍼 위에 박막.
  8. 스핀 코팅 된 기판을 벗어. 15 분 동안 150 ℃에서 가열 플레이트 및 어닐링에 신선한 코팅 된 기판을 옮긴다.

3. 활성 레이어 인쇄

  1. 로드 기판. 미니 슬롯 다이 코터의베이스 플레이트 상에 코팅 된 ITO PSS 기판 다음 PEDOT를 넣는다. 단단히 기판을 유지하도록 슬롯 다이 코터의 진공 척에 접속 된 진공 펌프를 켜고. (그림 3은 다양한 구성 요소의 위치를 참조하십시오.)
  2. 바로 프린터 헤드 아래에 넣어 기판의 위치를 ​​조정합니다. 이는 기판 플레이트 아래 선형 조절기를 사용하여 수행 될 수있다.
  3. 프린트 헤드를 보유하고있는 2-D 틸팅 조작을 사용하여 틸팅 헤드를 조정합니다. 머리가 수직으로 적재 된 기판 위에 서 있는지 확인합니다. 이 공정에서는, 인쇄 헤드는 substra 가까이 낮게 할 수있다테. 헤드 기울어 여부 표시하는 프린트 헤드와 기판 사이의 갭을 사용한다. 웨이퍼 기판을 사용하는 경우에 인쇄 헤드의 작은 화상이 표시되며,이 경사를 확인 훨씬 쉽게되기 때문에 이는 매우 유용 할 것이다.
  4. 조정 제로로 머리 - 기판 거리. 수직 모터 힘 센서에 연결되어있다. 프린트 헤드가 부동 될 때, 일정한 힘 판독 (헤드를 인쇄 매니퓰레이터 조립체 틸팅의 중량에서) 수득 될 것이다. 프린터 헤드가 기판에 접촉되면, 읽기는 제로 위치를 표시, 줄일 수 있습니다. 단계 거리 설정에 대한 그림 4를 참조하십시오. 거리를 조정하는 조그 모드를 사용합니다.
    주 : 수직 매니퓰레이터 병진 판 스프링을 사용하여 기지국에 접속하고, 스프링 상수가 약간 변화된다. 힘 센서에 따라서 작은 변화는 실험 기간 동안 피할 수 있습니다.
  5. 실험을 실행하기 위해 머리 - 기판 값을 설정합니다. 이 실험에서는, 설정된100 μm의 간격을 기판에 머리.
  6. 인쇄에 사용되는 리니어 모터의 병진 스테이지를 조절. 시작 지점과 끝 지점을 찾을 수 있습니다. 이 값을 기록한다. 리니어 모터의 이동 거리가 100mm이다. 여기서, 상기 기점으로 10mm 모터 위치와 종결 지점으로 80mm 모터 위치를 설정한다.
  7. 소프트웨어 인터페이스를 (도 4B)를 제어하는 모터를 이용하여 10mm / 초의 인쇄 속도를 설정한다. 100m / 초 모터의 가속 속도를 설정합니다.
    1. 모터가 제대로 작동하지 않거나 소프트웨어에 오류가있는 경우, 소프트웨어를 다시 시작하고 소프트웨어 인터페이스에서 다음 "홈"을 "사용"버튼을 클릭하시기 바랍니다. 프로세스를 인쇄 중에 상기 프린트 헤드가 고정 된 채로 유지되고, 기판이 용액을 조제하고, 산업용 인쇄 처리를 모방 이동합니다.
  8. 로드 DPPBT : PCBM 용액 (실온) 1 mL를 주사기로 슬롯에 연결되어 주사기 펌프의 주사기 마운트프린터를 죽는다. 소프트웨어 (주사기 직경 및 솔루션 공급 속도, 0.3 ㎖ /이 경우에는 분) 제어에 인쇄 매개 변수를 설정합니다.
  9. 인쇄 실험을 시작합니다.
    1. 소프트웨어 제어에서 위치 윈도우의 시작점의 위치를 ​​입력하여 기점으로 기판을 이동. 자세한 내용은도 4c를 참조하십시오.
    2. 주사기 펌프 소프트웨어의 시작을 클릭하여 슬롯 다이 머리에 솔루션을 펌프 시작합니다. 대안 적으로, 수동 시린지 펌프를 작동한다. 각 코팅 용액의 약 ~ 100 μL이 사용됩니다. 일반적으로 처음 인쇄 300 ㎕의 솔루션을 사용하여 반복 인쇄 ~ 100 μL 솔루션을 사용합니다.
    3. 빨리 해결책은 프린트 헤드로부터 나오는 시작할 때 병진 모터를 시작하고, 상기 기판은 최종 위치로 이동한다. 이것은 중요한 단계입니다 유의하시기 바랍니다. 모터 MOV를 시작하는 입력 위치 창에 위치를 종료 병진 모터를 미리로드, 클릭장담.
    4. 주사기 펌프를 중지 수직 모터를 사용하여 프린트 헤드를 해제. 오프 진공을 켜고베이스 플레이트 오프 기판을. 이 인쇄 헤드 죽은 볼륨이 250 μL, 따라서 처음 작성하는 솔루션의 250 개 이상의 μl를 취합니다.
    5. 잔류 용매를 제거 3-5 시간 동안 진공 오븐에 프린트 기판을로드.
    6. 프린트 헤드 아래에 페트리 접시를 넣어. 머리를 청소 프린트 헤드에 10 ml의 클로로포름 펌프. 페트리 접시에 오염 된 클로로포름 용액을 수집합니다. 세정 용액을 펌핑하는 동안 인쇄 헤드를 청소하기 위해 면봉을 사용합니다. 각 도장 실행 후에 다른 용액이 사용될 때, 특히 기록 헤드를 청소.
      참고 : DPPBT : PCBM 솔루션은 어두운 녹색을 보여줍니다. 세정이 완료되면, 어떠한 색상 클로로포름 용매에서 볼 수 없다.

4. 음극 전극 증착

  1. 로드섀도우 마스크 상에 활성층을 코팅 된 기판 (도 5)와 증착 챔버에 마스크를 탑재.
  2. 전극 스터드 (도 6a) 사이에 두 개의 열 증발 보트를 넣습니다. LiF를 소금 한 보트 (거의 덮고있는 배 ~ 0.2 g) 및 알루미늄 금속과 한 배 (4 펠렛)를 넣습니다.
  3. 증착 실을 닫고 약 2 × 10-6 토르, 증착 챔버를 펌프 다운.
  4. 알루미늄 100 nm의 다음 LiF를 1 nm의 입금 챔버를 설정합니다. 현재의 경우에, LiF를 증착에 20 % 전력을 사용하고 알루미늄 증착 26 % 전력을 사용한다. 본 연구에 사용 된 시스템의 증발기 제어 인터페이스는도 6b에 도시.
  5. 피난 펌프를 중지하고 질소 가스 챔버를 입력합니다. 압력이 대기압으로 반환 될 때, 기판을 꺼내.

5. 태양 광 성능 측정

  1. 절반 인 유리 슬라이드를 준비장치의 제조에 사용되는 ITO 유리의 폭. 글러브 박스에서이 단계를 수행합니다. 유리 기판의 한쪽면에 에폭시 접착제를 붙여 상기 에폭시 접착제 코팅 된 유리 슬라이드 (샘플 장치에 대해도 11을 참조)를 사용하여 디바이스 영역을 커버. 에폭시가 경화되면, 장치가 완전히 밀봉된다.
  2. 태양 광 시뮬레이션 램프를 시작하고 100 mW의 / cm 2 1.5 방사선 AM으로 설정. 측정하기 전에 약 15 분 동안 램프를 안정. 도 7에 도시 된 본 연구에 사용 된 PV 측정 시스템이다.
  3. 악기 제안 거리에서 태양 광 시뮬레이터에서 장치를 탑재합니다. 양극과 측정 회로에 음극을 연결한다. 제조자의 프로토콜을 사용하는 전기 멀티 미터를 이용하여 전류 - 전압 곡선을 기록한다.
  4. 다음과 같이, 장치의 성능을 결정 :
    J의 SC : 단락 전류, 태양 전지 소자를 제공 할 수있는 최대 전류;
    V OC는 FF : 요소, J 사우스 캐롤라이나 *의 V의 OC로 나눈 IV 곡선의 최대 영역을 채우기;
    PCE : 에너지 변환 효율, J SC의 *의 V OC는 FF * / (경우 100mW / cm 2).

6. 싱크로트론 X- 선 측정

  1. X 선 측정에 공기 산란을 억제하기 위해 헬륨 상자를 설정합니다. 헬륨 상자에 미니 슬롯 다이 코터를 탑재합니다. 고급 광원에서 헬륨 상자를 사용하여 그레이 징 입사 X- 선 회절 실험의 실험 설정은도 8에 도시되어있다.
  2. 용매를 증발 두께 변화를 모니터링하기 위해 인쇄 장치에 광 간섭계를 탑재. 본 실험에서는, (예를 Filmetrix F20)을 UVX 모델을 사용한다. 이 실험에서 사용되는 재료는 300-900 nm 파장의 강한 빛을 흡수 있습니다.
    1. 광 간섭계의 광원 램프를 사용 번째에서 물질의 흡수를 방지 할 수 있습니다. 이 실험에서 1,100-1,700 nm 파장 램프를 사용합니다. 그 동작의 절차에 따라 실험을하기 전에 악기를 사전 교정.
  3. 프린터의 기판 홀더에 PSS 코팅 된 웨이퍼 기판을 단계 3.2-3.5 다음 머리와 기판 위치를 조정하십시오 PEDOT를 넣습니다. 진공 펌프의 전원을 켜고 웨이퍼 기판 단단히 기판 홀더에 붙어 있는지 확인하십시오.
  4. 공기를 제거 헬륨 퍼지 박스. 산소 센서에 의해 모니터링 될 수보다 0.3 V %되어야 함 산소 수준을 참고.
  5. X 선은 기판 (인쇄의 종료 위치)에 충돌하는 위치에 상기 기판을 정렬하고, 입사각이 경우 0.16 °로 설정한다. 빔 라인 프로토콜에 따라 맞 춥니 다.
  6. X 선 조사 시간 및 데이터 취득 방법을 설정한다. 여기서, 2 노광 시간으로 초, 지연 시간이 3 초이어서를 사용 (서버 빔의 손상을 방지하기 위해). 따라서 각각의 실험 기간 것5 초합니다. 100 반복의 연속 대기열을 수행; 따라서 100 사진을 촬영.
  7. 실험의 이름을 지정하고 실험 파일을 저장하기 위해 데이터 경로를 선택합니다. 전술 한 설정을 쉽게 찾을 수있는 고급 광원 빔라인 7.3.3 사용자 인터페이스가도 9에 도시되어있다.
  8. 모터 제어 소프트웨어의 시작 위치를 입력함으로써 개시 위치는 기판을 이동. X 선 셔터를 시작하고 검출기는 지속적으로 회절 / 산란 신호를 기록합니다.
  9. 인쇄 헤드에 솔루션을 공급하기 위해 주사기 펌프를 시작합니다. 용액 (a 감시 카메라로 모니터링), 인쇄 헤드로부터 토출하기 시작하면, 신속하게 인쇄 처리를 시작한다.
    주 : 미리 선택된 측정 위치에 도달하면, 2-D 검출기는 용액으로부터 산란 된 신호를 캡처 할 것이다. 막 두께는 간섭계에 의해 모니터된다. 따라서, 상기 박막 형태의 진화를 기록한다.
  10. 프린터를 들어 올려머리와 실험이 완료되면 헤드를 청소하십시오.

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Representative Results

도 3에 도시 된 미니 - 슬롯 다이 코팅 시스템이다. 그것은 하나의 코팅기 한 주사기 펌프 중앙 제어 박스로 구성된다. 코팅 시스템은 슬롯 다이 헤드, 하나의 수평 병진 스테이지 및 하나의 수직 병진 스테이지 이루어지는 요부이다. 슬롯 다이 헤드는 2-D의 틸트 조작부를 통해 수직 병진 모터의베이스에 장착된다. 도 10A는 2-D의 틸트 조작부가 강조되는 프린트 헤드를 장착하지 않고 프린터 본체를 나타낸다. 도 10b는 2-D 틸팅 매니퓰레이터의 프린트 헤드의 장착을 도시한다. 도 10c는 기록 헤드와 기판의 확대 된 이미지를 도시한다. 힘 센서는 수직 병진 단계에 내장되어 있습니다. 실험에서, 수직 병진 스테이지 머리 - 기판 거리를 조정하는 데 사용되며, 2-D 틸팅 모터 adju에 사용일 머리는 엄격하게 수직으로합니다. 힘 센서는 슬롯 다이 헤드 시스템의 무게를 모니터링하는 데 사용된다. 상기 헤드는 상기 기판에 접촉되면, 음의 판독 긍정적 읽음 점프 헤드 위치를 나타내는 관찰한다. 헤드는 소정의 간격을 제공하기 위해 소정의 높이까지 이동된다. 인쇄하는 동안, 슬롯 다이 헤드는 고정되고 하부 수평 병진 스테이지가 이동된다. 액체가 헤드 슬릿로부터 분배되면서, 균일 한 막을 얻을 수있다. 이 프린터 헤드와 기판 플레이트 모두는 온도 제어 시스템을 정제 한 것을 언급한다. 150 ℃까지 실온의 온도 범위는이 시스템의 인쇄 중에 사용될 수있다. 11a는 공액 고분자로 코팅 된 ITO 기판을 보여줍니다 PCBM이 조화를 이루고 있습니다. 이 영화는 시각적으로 아주 매끄 럽습니다. 이는 도막의 시작과 끝 인해 메 니스 커스가 형성되고 가장자리에서 건조 항상 균일되는 것은 아니다. 스와 경우 인쇄물 처리 충분히 길거나 기판 (a R2R 프린터와 같은)을 연속적으로 코팅하는 경우,이 문제는 해결 될 수있다.

갓 코팅 된 기판 (유리 / ITO / PEDOT : PSS / 활성층)가 짧은 기간 동안 진공 오븐으로 이송하고 섀도우 마스크에로드된다. 마스크는 예금 음극 박막에 증발기에로드됩니다. 도 5에 도시 된 실험에 사용되는 섀도우 마스크이다. 도 11b는 캐소드 층 증착 후 완성 된 장치를 나타낸다. 장치 성능 / cm 100 mW의에서 오전 2시 1.5 조건을 태양 시뮬레이터를 사용하여 측정한다. 미니 슬롯의 대표적인 전류 - 전압 곡선은도 12에 도시하는 도포 장치 다이. 5.2 %의 평균 전력 변환 효율은 스핀 코팅 (~ 5.6 %의 PCE)에 의해 달성 된 것과 가까운 슬롯 다이 코팅 장치에 대해 달성된다.

1 ">은 동일계에서 GIXD 및 GISAXS 실험 인쇄 BHJ 잉크의 형태의 진화를 추적하는 유용한 방법이다. 중합체의 결정화는 GISAXS 의해 추적 될 수 GIXD 실험 및 상 분리에 의해 추적 될 수있다. 실험에서 미니 슬롯 다이 코터 헬륨 박스 (도 13) 내부 각도계에 장착된다. 케이블 접속 쌍이되며, 따라서기구는 싱크로트론 허 외부에서 조작 될 수있다.도 14에 도시 한 X 선 빔라인에서 운영 센터는 . 왼쪽 컴퓨터 송아지 안에 두 감시 카메라 아날로그 창 하나의 샘플 위치에 초점을 맞추고, 상기 중앙 컴퓨터는 X 선 셔터 및 기록 데이터를 제어하는 ​​빔라인 운영 인터페이스이고 왼쪽 컴퓨터 빔라인 파라미터를 제어 하나는 용액 상태를 모니터링 할 수있다 따라서, 슬롯 다이 헤드 슬릿에 집중하고, 왼쪽 아래 컴퓨터가 수평 및 수직 병진 사슴 실행즉 모터 소프트웨어 및 주사기 펌프 제어 소프트웨어. 그림 15은 용매를 건조하는 동안 실험을 산란 현장 방목 발생률 작은 각도에서 일반적입니다. 시간의 진화는 색으로 구분한다. 건조 (용제의 과잉 존재)의 초기 단계에서 적색 산란 커브 볼, 잘 혼합하여 혼합. 산란 피크 서서히 상분리의 ~ 60 나노 미터를 나타내는 약 0.02 -1에서 개발. 이 정보는 현장 GIXD 결과와 결합 할 때, 우리에게 고분자 결정화 및 위상 분리의 반응 속도를 알려줍니다.

그림 1
도 1 : 공액 고분자 DPPBT의 화학적 구조 및 화학적으로 변형 된 플러렌 PC 71 BM이 연구에 사용 하였다. 클릭하세요여기이 그림의 더 큰 버전을 볼 수 있습니다.

그림 2
그림 2 : 1/3 ITO 유리 청소에 사용되는 ITO 기판 및 테플론 랙을 제거했습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 3
도 3 : 미니 슬롯 다이 코터 (a) 본체. 프린트 헤드는 틸트 조작부에 장착된다. 슬롯 다이 헤드 위의 두 손잡이 단지 인쇄 헤드의 틸팅하기 위해 사용된다. 둥근 모양의 스텝퍼 모터는 인쇄 헤드의 수직 이동을 제공하기 위해 수직으로 장착된다. 주요 수평 변환 스테이지가 선형을 제공하는베이스 보드에 장착코트에 모션 영화. 모두 프린트 헤드와 기판베이스는 가열 될 수있다. 주사기 펌프의 (b) 제어 상자 상단에 탑재. 왼쪽 큐브는 수직 모터 컨트롤러입니다; 중간 큐브 수평 모터 제어기이고; 오른쪽 패널은 세 개의베이스 (중간)에 대한 헤드 (위), 온도 제어기, 온도 조절 장치, 힘 센서이다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 4
그림 4 : 미니 슬롯은 소프트웨어 인터페이스를 제어하는 프린터 모터 죽는다. (a) 기본 소프트웨어 인터페이스 : 제어 소프트웨어가 상부 및 선형 병진 운동 소프트웨어에 수직 스테퍼 모터 아래에있다; (b)의 속도 설정 및 가속도수직 및 수평 병진 모터 인터페이스를 설정하는 단계; 수평 병진 모터 설정 (c)의 위치. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 5
도 5 : 캐소드 층 증착에 사용되는 새도우 마스크. 디바이스 기판은 상기 마스크의 절단 영역에로드한다. 마스크는 증착 챔버에 장착되며, 전극 금속을 절단 직사각형 영역을 통해 증착한다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 6 <BR /> 그림 6 (a)는 증발기 및 전극 스터드 레이아웃입니다. 동작, 탄탈륨 금속 보트 전극 스터드 사이에 장착됩니다. 전극 금속은 보트에로드됩니다; 전기 전류는 열 증발 전극 금속에 배를 열 것입니다. (b) 증발기 제어 인터페이스. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 7
그림 7 : 표준 태양 광 측정 시스템. (a) 태양 시뮬레이터; (b) 태양 광 시뮬레이터 제어기; (c) 솔라 시뮬레이터 플럭스 제어기. 의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오 이 그림.

그림 8
도 8 : 헬륨 상자를 이용하여 입사 X 선 회절 실험을 방목. 헬륨 상자가 적은 공기의 산란을 가지고 실험 분위기를 생성하기 위해 사용된다. 슬롯 다이 프린터 실험 중에 헬륨 상자 안에 설치된다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 9
그림 9 : 싱크로트론 빔라인 제어 소프트웨어 인터페이스를 제공합니다. 이 인터페이스는 빔라인 실험을 제어한다. 왼쪽 패널 샘플을 정렬하는 데 사용됩니다; 오른쪽 패널은 X 선 노광 시간 실험 이름을 제어하고, 산란 신호를 표시한다. : //ecsource.jove.com/files/ftp_upload/53710/53710fig9large.jpg "대상 ="_ 빈 ">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 10
도 10 : 미니 슬롯 다이 프린터의 주요 부를 확대. 슬롯 다이 코터의 (a) 본체. 수직 모터는 로드셀 힘 센서와 연결되고, 수직 매니퓰레이터에 통합된다. 2 차원 틸트 조작부가 수직 매니퓰레이터에 장착된다. (b) 상기 2-D 틸팅 매니퓰레이터에 장착 된 프린터 헤드. 프린터 헤드의 그림 (c)에서 확대합니다. 머리는이 시점에서베이스 플레이트에 매우 가깝습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

11 재 "SRC ="/ 파일 / ftp_upload / 53710 / 53710fig11.jpg "/>
도 11 : 광자 활성층 코팅 된 기판 (왼쪽)과 음극 층 증착 (오른쪽)이 완료된 후 장치. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 12
그림 12 : 슬롯의 전류 - 전압 곡선은 코팅 장치를 죽는다. 단락 전류, 개방 전압은 곡선 축 도청으로부터 판독 될 수있다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 13
도표 13 : 강한> 미니 슬롯 다이 코터는 싱크로트론 역에서 헬륨 상자 안에로드. (a)에 전면 뷰를; (b)는 측면도. 광학 간섭계는 도막의 두께를 모니터링하기 위해 장착된다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 14
도 14 : 고급 광원 빔라인 7.3.3 시츄 미니 슬롯 다이 코팅 실험 시스템을 제어한다. 각각의 인터페이스는 그림에 표시됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

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그림 15 : 일반적인 GISAXS 형태의 진화. 상분리의 정보 획득에 커브 피팅이 필요하다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

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Discussion

여기에 기재된 방법은 쉽게 산업 생산까지 확장 할 수있는 필름 제조 방법의 개발에 초점을 맞추고있다. 박막 인쇄 및 싱크로트론 형태의 특성은 프로토콜 가장 중요한 단계입니다. 이전 실험실 스케일 OPV 연구에서, 스핀 코팅 법은, 박막 디바이스를 제조하는 주된 방법으로서 사용된다. 그러나,이 프로세스는 산업 기반 롤 - 투 - 롤 제조를 상당히 다르다 BHJ 용액을 확산 높은 원심력을 사용한다. 따라서, 스핀 코팅 연구에서 얻은 지식과 경험이 직접 대 면적 소자 제조에 전송 될 수 없다. 현재 연구에서 제시된 미니 슬롯 다이 코팅 장치 산업화 테스트 이상적 일 것이다 따라서 산업용 필름 코팅 장치에 가깝다하고. 디바이스 성능에 대응하는 필름의 형태를 제어하는 ​​매개 변수가 재조사 할 필요가있다. 미니 슬롯 다이 코팅 재료비 ​​따라서 최소이며디바이스 제조 조건 다량 최적화 될 수있다.

싱크로트론 측정 벌크 헤테로 접합 (BHJ) 태양 전지 박막 형태의 진화를 확인하는 데 사용된다. 우리는 구조의 발전을 모니터 할 스침 입사 X 선 회절 (GIXD) 및 그레이 징 입사 X 선 산란 (GISAXS)을 수행한다. 이 두 가지 실험을 실행하는 데 이상적이다. 불가능한 경우, 개별적으로 수행 될 수있다. GIXD GISAXS와의 유일한 차이는 샘플 - 대 - 검출기의 거리이며, 따라서 우리는 단 한번의 실험 세부 사항을 설명한다. PEDOT : PSS 코팅 된 실리콘 웨이퍼 코팅 용 기재로서 사용된다. 인쇄 처리 디바이스 제작하는 공정과 동일하다. 또한, 기판의 프린터 위치를 잘 계산하도록하는 것이 중요 확인 오른쪽 Q 범위에 도달 할 수 있고, 기판의 시작점과 종점은 X 선에 노출 될 수있다. 또한 그 GIXD 실험에서 샘플 간 검출기 dista 유의NCE가 작고, 검출기는 헬륨 박스에 상당히 근접하게 장착된다. GISAXS 실험에서, 비행 튜브는 샘플 간 거리 검출부 상당히 크기 때문에 공기의 산란을 감소시킬 필요가있다 (~ 실험 설정에서 4m). GIXD 및 GISAXS 측정을 모두 끝 위치에서 수행되어 있습니다. 인쇄 처리가 끝나는 위치에 도달하면, 리니어 모터의 병진은 중단되고 연속 X 선 산란 / 회절 데이터가 생성된다. 선형 병진 스테이지의 이동 거리가 10cm로되어 있습니다. 시작 위치에서 기판까지 X 선 빔으로하고, 배경의 송신 신호는 2 차원 X 선 검출기에 기록된다. 측정 위치에 대한 기판의 이동, 그것은 스침 산란 산란 송신으로 변경되며,이 전환은 실험의 시작 마커로서 사용될 수있는 경우.

미니 슬롯 다이 코터의 작은 크기는 R에 적합하다 이 esearch 실험실 사용. 광 활성 물질의 소모는 매우 낮다. 일반적으로, 공액 고분자의 10 mg을 솔루션의 1-2 ml를 만들 수 있습니다. 프린트 헤드에서 데드 볼륨이 약 0.25 mL의 것이다. 각 코팅 실험에서 ~ 0.1 mL를 사용한다. 따라서,이 새로운 방법은 재료의 사용과 효율적입니다. 일반적으로 물질의 100 ~ 200 mg을 같은 혼합 비율, 용매의 선택, 열처리, 미니 슬롯은 새로운 재료 검사의 효율적인 방법을 코팅 죽게 만드는 등의 처리 조건의 광대 한 행렬을 화면에 충분합니다. 인쇄 실험 중에 주사기 펌프가 한계를 초과하지 않도록. 헤드 슬릿 내부 고체 축적 처분 제대로 헤드를 청소; 그렇지 않으면 시스템이 고착된다. 다른 하나의 솔루션에서 변경하는 경우, 철저한 청소를 수행; 그렇지 않으면 교차 오염이 발생할 수 있습니다. 광자 활성 중합체는 헤드가 완전히 세정 또는 아닌지 등의 표시로서 사용될 수있다 그것의 독특한 색상을 나타낸다.

ve_content "> 미니 슬롯 다이 코터 박막 처리와 관련된 다양한 분야에 사용될 수있다. OPV 장치의 처리에서, 새로운 매개 변수가 포함될 수있다. 예를 들면, 슬롯 다이 헤드 온도는 뜨거운 용액 도포 따라서 제어 될 수 있고, . 기판도 ​​가열 할 수있다 달성 될 수있다.. 따라서, 용매의 증발 속도가 미세 조정할 수있는 다른 코팅 속도도 형태를 제어하는 ​​전단 율을 변화 시키도록 이용 될 수있는 현재의 실험에서, 단지 간단한 실험은을 사용하여 하드 기판이 설명된다. 플라스틱 도전성 기판이 신축 장치를 제조 할 수있다. 스핀 코팅에 비해, 미니 슬롯 다이 코팅은 OPV 기술의 산업화를 최적화하는 데 중요한 산업 제조, 유사한 처리를 제공한다. 일 이 기술의 주요 제한은 디바이스의 제조에 롤 - 투 - 롤 코팅 기계를 필요로하는 것, 연속하지 않을 수 있다는 점이다. 그러나, 미니 - 슬롯 다이 코팅 신속처리 조건으로 빠른 물질 스크리닝을 최적화한다. 이러한 관찰은 롤 - 투 - 롤 대형 패널 생산에 유용한 통찰력을 제공한다.

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Materials

Name Company Catalog Number Comments
PC71BM Nano-C Inc nano-c-PCBM-SF
DPPBT The University of Massachusetts Custom Made
PEDOT:PSS Heraeus P VP Al 4083
Mucasol Liquid Cleaner Sigma-Aldrich Z637181
Acetone Sigma-Aldrich 270725
Isopropyl Alcohol BDH BDH1133
Chloroform Sigma-Aldrich 372978 
1,2-dichlorobenzene Sigma-Aldrich 240664
Lithium fluoride Sigma-Aldrich 669431
Aluminum Kurt Lesker EVMAL50QXHD
Glass vials Fisher Scientific 03-391-7B
Ultrasonic Cleaner Cleanosonic Branson 2800
Oven WVR 414005-118
Cleaning Rack Lawrence Berkeley National Lab Custom Made
Shadow Mask Lawrence Berkeley National Lab Custom Made
UV-Ozone Cleaner UVOCS INC T16X16 OES
Glove Box MBraun Custom Made
Evaporator MBraun Custom Made
Slot Die Coater Jema Science Inc Custom Made
Solar Simulator Newport Class ABB
Spin Coater SCS Equipment SCS G3
Hot Plate Thermo Scientific SP131015Q
X-ray Measurement Lawrence Berkeley National Lab Beamline 7.3.3

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References

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