ייצור הדפסת תאים סולריים heterojunction הגורף
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
0 Comments
  CITE THIS  SHARE 
Engineering

Your institution must subscribe to JoVE's Engineering section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

Welcome!

Enter your email below to get your free 10 minute trial to JoVE!





By clicking "Submit", you agree to our policies.

 

Summary

כאן, אנו מציגים פרוטוקול לפברק תאים סולריים אורגני סרט דק באמצעות coater למות מיני חריץ ומאפייני מבנה אונליין הקשורים באמצעות טכניקות פיזור synchrotron.

Cite this Article

Copy Citation

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).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

Introduction

photovoltaics האורגני (OPV) הוא טכנולוגיה מבטיחה לייצר אנרגיות מתחדשות חסכוניות בעתיד הקרוב. 1, 2, 3 מאמצים רבים נעשו כדי לפתח פולימרי צילום פעיל לפברק התקנים יעילים גבוהים. נכון להיום, מכשירי OPV שכבתיים יחידים השיגו יעילות המרה כוח> 10% (PCE). שיפורים אלה הושגו על מכשירים בקנה מידה מעבדתי באמצעות ציפוי ספין כדי ליצור את הסרט, ותרגום למכשירים גודל בקנה מידה גדול יותר כבר טומנת בחובה ירידה מובהקת PCE. 4, 5 בענף, לגלגל אל הרול (R2R) ציפוי סרט דק מבוסס משמש להפקת סרטים דקים פעילים פוטון על מצעים מוליכים, שונה למדי מתהליכי מעבדה בקנה מידה טיפוסיים, במיוחד בשער של הסרת ממס. דבר זה הוא קריטי מאחר מורפולוגיות הם קיnetically לכודים, הנובעים הגומלין בין תהליכים הקינטית מרובים, כולל הפרדת פאזות, סידור, התמצאות אידוי הממס. 6, 7 kinetically זה מורפולוגיה לכוד, אם כי, קובע במידה רבה את הביצועים של המכשירים תאים סולריים. לכן, להבנת ההתפתחות של המורפולוגיה במהלך תהליך הציפוי היא בעל חשיבות גבוהה עבור מניפולציה של המורפולוגיה כדי למטב את הביצועים.

אופטימיזציה של המורפולוגיה דורשת הבנת קינטיקה הקשורים ההזמנה של פולימר ניצוח חור הפתרון ממס מוסר; 8, 9 לכימותי האינטראקציות של הפולימר עם מנצח האלקטרונים מבוסס פולרן; 10, 11, 12 הבנת התפקידים של תוספים בהגדרת מורפומְשַׁעֲמֵם; 13, 14, 15 ואיזון השיעורים היחסיים של אידוי של הממס (ים) ותוספים. 16 זה כבר אתגר לאפיין את האבולוציה של מורפולוגיה כמותית השכבה הפעילה בסביבה תעשייתית רלוונטית. רול ל-רול עיבוד נחקר עבור הייצור של מכשירי OPV בקנה המידה גדולים. 4, 17 עם זאת, מחקרים אלה בוצעו באווירה ייצור שבו כמויות גדולות של חומרים המשמשים, הגבלת מחקרים ביעילות פולימרים זמינים מסחרית.

במאמר זה, את הפרטים הטכניים של בודה התקנים OPV באמצעות מערכת ציפוי למות מיני חריץ הם הפגינו. פרמטרים ציפוי כגון קינטיקה ייבוש הסרט ובקרה עובי הסרט החלות על תהליכים בקנה מידה גדול יותר, מה שהופך במחקר זה קשור ישירות בתעשייה fabrication. חוץ מזה, כמות קטנה מאוד של חומר המשמש בניסוי ציפוי מיני חריץ למות, מה שהופך עיבוד זה החלות על חומרים סינתטיים חדשים. בתכנון, coater למות מיני חריץ זה יכול להיות מותקן על גבי תחנות קצה סינכרוטרון, ובכך מרע פיזור קרני רנטגן הזווית קטנה שכיח (GISAXS) ואת קרן ה- X עקיפה (GIXD) יכול לשמש כדי לאפשר לימודים בזמן אמת על האבולוציה המורפולוגיה פני טווח של אורך רחב מאזניים בשלבים שונים של תהליך ייבוש הסרט תחת מגוון של תנאי עיבוד. מידע המתקבל במחקרים אלה ניתן להעביר ישירות הגדרת ייצור תעשייתית. הכמות הקטנה של חומרים המשמשת מאפשרת סינון מהיר של מספר רב של חומרים פוטו-פעיל והתערובות שלהם בתנאי עיבוד שונים.

החצי-גבישי diketopyrrolopyrrole ו quaterthiophene (DPPBT) מבוססי פולימרים הלהקה נמוך מצומדות משמש כחומר התורם הדגם (6,6) -phenyl C71-butyriג מתיל אסטר חומצה (PC 71 בע"מ) משמשת acceptor האלקטרוני. 18, 19 זה מוצג במחקרים קודמים כי DPPBT: PC 71 בע"מ תערובות ליצור הפרדת פאזות גודל גדול בעת שימוש כלורופורם כמו ממס. כלורופורם: תערובת ממס 1,2-dichlorobenzene יכול להקטין את הגודל של הפרדת פאזות ובכך להגדיל את ביצועי המכשיר. היווצרות המורפולוגיה במהלך תהליך הייבוש הממס נחקרת באתרו על ידי מרעה השכיח רנטגן עקיפה ופיזור. מכשירי תא סולארי מפוברקים באמצעות coater למות מיני החריץ הראה PCE ממוצע של 5.2% באמצעות תנאי תערובת הממס הטובים ביותר, 20 דומה ספין-ציפוי מכשירים מפוברקים. Coater מיני חריץ למות פותח מסלול חדש לפברק התקני תאים סולריים במעבדת הגדרת מחקר המחקה תהליך תעשייתי, מילוי פער מנבא את הכדאיות של חומרים אלו תעשייתיים relהגדרת evant.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

הכנת דיו Blend 1. פוטון-פעיל

  1. לשקול 10 מ"ג של פולימר DPPBT ו -10 מ"ג של חומר מחשב 71 בע"מ (מבנים כימיים שמוצג באיור 1). מערבבים אותם בקבוקון 4 מ"ל.
  2. הוסף 1.5 מ"ל כלורופורם 75 μl של 1,2-dichlorobenzene לתוך התערובת.
  3. שים בר ומערבבים קטנים לתוך הבקבוקון, לסגור את הבקבוקון עם כובע polytetrafluoroethylene (PTFE), ולהעביר את בקבוקון פלטה חשמלית. מערבבים ב ~ 400 סל"ד, וחום ב ~ 50 מעלות צלזיוס למשך הלילה לפני השימוש.

2. איטו ו ופל מצע ניקוי והכנה

  1. טרום בדוגמת טענתי תחמוצת אינדיום בדיל (איטו) מצע זכוכית (1 אינץ 'ב -3 אינץ', עם חץ סיר איטו) או פרוסות סיליקון לתוך תצוגת ניקוי טפלון וקבעתי מתל לתוך מיכל זכוכית (איור 2). להוסיף בתמיסת דטרגנט לדלל (300 מ"ל, 1% בתמיסת דטרגנט אוניברסלי) לתוך מיכל זכוכית ולשים את מיכל זכוכית לתוך sonicator sonicate במשך 15 דקות.
  2. להסיר את נוזל הכלים ולשטוף את הכוס איטו עם deionized (DI) מים כמה פעמים. לאחר מכן להוסיף 300 מ"ל מים DI לתוך המיכל, ולשים את מיכל זכוכית לתוך sonicator במשך 15 דקות נוספות.
  3. הסר את המים מהמיכל. הוספת 300 מ"ל אצטון לתוך המיכל, ו sonicate במשך 15 דקות.
  4. הסר אצטון. הוספת 300 מ"ל 2-isopranol לתוך מיכל זכוכית, ולאחר מכן sonicate במשך 15 דקות.
  5. הזז את הניקוי מתל אל תנור. הגדר את טמפרטורת התנור ל 100 מעלות צלזיוס, ולחכות 3-5 שעות עד זכוכית איטו הוא מיובש לחלוטין.
  6. להוציא מצעים לנקות. העבר אותם לתוך שואב פלזמה מנקה או חמצן UV-אוזון. השתמשו רב עוצמה UV-אוזון או פלזמה לנקות אותם ~ 15 דק 'על פי פרוטוקול של היצרן.
  7. שים את המצע ניקה גבי coater ספין, להוסיף 150 פולי μl (3,4-ethylenedioxythiophene) sulfonate קלקר (PEDOT: PSS) פתרון על גבי המצע ניקה, ואת המעיל ספין בסל"ד 3000 כדי מעילמצוין ~ 30 PEDOT ננומטר עבים: PSS (PEDOT: PSS 4083) סרט דק על או ופלי הזכוכית או סיליקון איטו.
  8. תוריד מצעים מצופי ספין. מעביר את המצעים מצופים הטריים על צלחת לחשל חימום ב 150 מעלות צלזיוס למשך 15 דקות.

3. הדפסת שכבה פעילה

  1. מצע טען. שים את PEDOT: PSS מצופה המצע איטו לצלחת בסיס של coater למות חריץ מיני. הפעל את משאבת ואקום המחובר צ'אק ואקום של coater למות חריץ להחזיק את המצע בחוזקה. (ראה איור 3 לאיתור רכיבים שונים.)
  2. התאם את המיקום של מצע לשים אותו ממש מתחת ראש המדפסת. ניתן לעשות זאת על ידי שימוש מניפולטור ליניארי מתחת ללוח המצע.
  3. התאם את הראש הנוטה באמצעות מניפולטור ההטיה 2-D שמכיל את ראש ההדפסה. ודא כי הראש עומד אנכי על גבי המצע הטעון. שימו לב בתהליך זה, ראש ההדפסה ניתן וריד קרוב substraטה. השתמש הפער בין ראש ההדפסה ואת המצע כדי להראות אם הראש מוטה או לא. זה יהיה מאוד שימושי כאשר מצע פרוסות משמש, מאז תמונת קטין של ראש ההדפסה תופיע וזה יהיה הרבה יותר קל לבדוק את ההטיה.
  4. כוון את המרחק אל מצע הראש לאפס. המנוע האנכי מצמיד עם חיישן כוח. כאשר ראש ההדפסה צף, קריאת הכח קבועה תושג (מן המשקל של הדפסת ראש ההטיה מכלול מניפולטור). לאחר ראש המדפסת נוגע מצע, הקריאה תפחית, סימון המיקום אפס. ראה איור 4 עבור הגדרת מרחק צעד. השתמש במצב לרוץ כוונון המרחק.
    הערה: צלחת translational מניפולטור אנכי מחובר לבסיסו באמצעות מעיינות קבוע הקפיץ משתנה מעט. לפיכך שינויים קטנים חיישן כוח הם בלתי נמנעים במהלך הניסוי.
  5. גדר ערך ראש אל המצע להפעיל את הניסוי. בניסוי זה, להגדיר אתהראש למצע הפער ל -100 מיקרומטר.
  6. התאם את המנוע בשלב ליניארי translational אשר ישמש כדי להדפיס. מצא את נקודת ההתחלה ואת נקודת הסיום. קלט ערכים אלה. מרחק הנסיעות של המנוע ליניארי הוא 100 מ"מימ. הנה, להגדיר מיקום המנוע 10 מ"מ כנקודת ההתחלה ו -80 מ"מ מיקום המנוע כנקודת הקצה.
  7. הגדרת מהירות הדפסה עד 10 מ"מ / sec באמצעות המנוע שליטה ממשק תוכנה (איור 4 ב). הגדרת מהירות ההאצה המנוע ל -100 מ '/ שנייה.
    1. אם המנוע אינו פועל כהלכה או התוכנה יש שגיאה, אנא הפעל מחדש את התוכנה ולחץ על "אפשר" ולאחר מכן "הביתה" בממשק התוכנה. שים לב במהלך הדפסת תהליך, ראש ההדפסה נשאר קבוע ואת המצע נע לוותר הפתרון לחקות את תהליך ההדפסה התעשייתי.
  8. DPPBT טען: פתרון PCBM (בטמפרטורת החדר) לתוך מזרק 1 מ"ל ו הר את המזרק משאבת מזרק המחובר לחריץלמות מדפסת. הגדר את הפרמטרים הדפסה בשליטה תוכנה (קוטר מזרק ומהירות האכלה פתרון, 0.3 מ"ל / דקה במקרה זה).
  9. הפעל את ניסוי ההדפסה.
    1. הזז את המצע לנקודת ההתחלה על ידי הקליד את מיקום הנקודה המוצא בחלון העמדה בשליטת תוכנה. ראה איור 4C לפרטים.
    2. התחל לשאוב פתרון לתוך ראש החריץ למות על ידי לחיצה על ההתחלה של תוכנת משאבת מזרק. לחלופין, ידני להפעיל את משאבת מזרק. עבור כל ציפוי, סביב ~ 100 μl של פתרון ישמש. בדרך כלל, השתמש 300 פתרון μl להדפסה לראשונה ולהשתמש ~ 100 פתרון μl להדפסה חוזרת.
    3. מתניעת translational במהירות כאשר הפתרון מתחיל לצאת החוצה מראש ההדפסה, ואת המצע יעבור מיקום הסיום. אנא שימו לב כי זהו שלב קריטי. טענת מראש מנוע translational שהסתיים עמדו לתוך חלון העמדה, ולחץ על Enter כדי להפעיל את mov המנועement.
    4. עצור את משאבת המזרק ולהרים ראש ההדפסה באמצעות המנוע האנכי. סובב את הוואקום מעל ולקחת את מצע מצלחת הבסיס. ראוי לציין, כי הנפח המת עבור ראש הדפסה זה 250 μl, ובכך ממלא את הפעם הראשונה לוקח יותר מ -250 μl של פתרון.
    5. טענת את המצע מודפס לתוך תנור ואקום במשך 3-5 שעות כדי להסיר ממס שיורים.
    6. שים בצלחת פטרי מתחת לראש ההדפסה. משאבה 10 מ"ל כלורופורם אל ראש ההדפסה לניקוי ראש. לאסוף את הפתרון כלורופורם מזוהם עם צלחת פטרי. השתמש צמר גפן לניקוי ראש ההדפסה תוך שאיבת פתרון הניקוי. לאחר כל סיבוב ציפוי, לנקות את ראש ההדפסה, במיוחד כאשר פתרון אחר משמש.
      הערה: DPPBT: פתרון PCBM מראה צבע ירוק כהה. כאשר הניקוי יושלם, ללא צבע ניתן לראות מן ממס כלורופורם.

4. הפקדת אלקטרודה קתודה

  1. טענת אתמצע צופה בשכבה פעילה על מסכות צל (איור 5) ו הר המסכה לתוך תא האידוי.
  2. שים שתי סירות אידוי תרמית בין חתיכי אלקטרודה (איור 6 א). טען בסירה אחת עם מלח LiF (בקושי מכסה את הסירה, ~ 0.2 גרם) ו בסירה אחת עם מתכת ואלומיניום (4 כדורים).
  3. סגור את תא אידוי מים במשאבות תא האידוי לכ 2 x 10 -6 Torr.
  4. הגדר את התא להפקיד 1 ננומטר של LiF ואחריו 100 ננומטר של אלומיניום. במקרה הנוכחי, להשתמש בכוח 20% להפקדה LiF ולהשתמש כוח 26% להפקדה אל. שמוצג באיור 6 ב הוא ממשק שליטה המאייד של המערכת נעשה שימוש במחקר זה.
  5. עצור משאבות פינוי למלא את התא עם גז חנקן. כאשר הלחץ חוזר בלחץ אטמוספרי, לקחת מצעים החוצה.

5. מדידת ביצועים פוטו

  1. כן שקופית זכוכית כי היא חצירוחב של זכוכית איטו המשמש ייצור המכשיר. ביצוע שלב זה בתוך תא הכפפות. הדבק דבק אפוקסי לצד אחד של מצע זכוכית, וכן לכסות את האזור ההתקן באמצעות שקופיות זכוכית מצופה דבק אפוקסי (ראה איור 11 עבור מכשיר מדגם). כאשר אפוקסי ריפא, המכשיר יהיה אטום לחלוטין.
  2. הפעל את המנורה סימולציה השמש ומוגדרת AM 1.5 קרינה עם 100 mW / 2 ס"מ. ייצב את המנורה במשך כ 15 דקות לפני המדידה. שמוצג באיור 7 היא מערכת המדידה PV השתמשו במחקר זה.
  3. הר המכשיר תחת סימולטור השמש במרחק הציע המכשיר. חבר את האנודה ואת הקתודה אל מעגל המדידה. קלט עקום נוכחי מתח באמצעות מודד חשמל באמצעות הפרוטוקול של היצרן.
  4. לקבוע את הביצועים של המכשיר כדלקמן:
    J SC: ומזרם קצר, הזרם המרבי מכשיר תאים סולריים יכולים לספק;
    oc V FF: למלא גורם, השטח המרבי ב עקומת IV מחולק oc J SC * V;
    PCE: יעילות ההמרה כוח, J SC * oc V * FF / (2 100mW / ס"מ).

6. מדידה רנטגן Synchrotron

  1. הגדרת תיבת הליום לדכא אוויר פיזור במדידת רנטגן. הר coater למות מיני חריץ לתוך תיבת הליום. שמוצג באיור 8 הוא הגדרת הניסוי של ניסויים דיפרקציה מרעה שכיחות רנטגן באמצעות תיבת הליום ב מתקדם מקור אור.
  2. הר אינטרפרומטר אופטי על מכונת הדפוס לפקח על שינוי העובי מעל האידוי הממס. בניסוי זה, להשתמש במודל UVX (למשל, F20 Filmetrix). החומרים המשמשים בניסוי זה יש קליטת אור חזקה מ 300-900 ננומטר אורך גל.
    1. השתמש מקור מנורה של אינטרפרומטר האופטי הב ימנע ספיגת החומר. השתמש מנורת אורך גל 1,100-1,700 ננומטר בניסוי הזה. טרום לכייל את המכשיר לפני הניסוי בעקבות הליכי פעולתו.
  3. שים את PEDOT: מצע רקיק מצופה PSS על בעל מצע של המדפסת ולהתאים את מיקום הראש ואת המצע לאחר שלב 3.2-3.5. הפעל את משאבת הוואקום ולוודא כי מצע רקיק מקלות לבעל המצע בחוזקה.
  4. טהר את תיבת הליום כדי להסיר אוויר. שים לב רמת חמצן צריך להיות פחות מ 0.3 v%, אשר יכול להיות במעקב על ידי חיישן חמצן.
  5. יישר את המצע במיקום שבו רנטגן פוגעת על פני המצע (לעומת סוף בהדפסה), ולקבוע את זווית שכיחות, 0.16 ° במקרה זה. יישר פי פרוטוקול קרן אונליין.
  6. הגדר את שיטת הרכישה זמן נתוני החשיפה רנטגן. הנה, להשתמש 2 שניות כזמן החשיפה, ואחריו 3 שניות של זמן השהיה (כדי למנוע נזק קרן שרת). לכן כל תקופת ניסוי תהיהלהיות 5 שניות. ביצוע תור מתמשך של 100 חזרות; ובכך לקחת 100 תמונות.
  7. שם הניסוי ולבחור את נתיב הנתונים לשמור קבצים ניסיוניים. שמוצג באיור 9 הוא ממשק המשתמש המתקדם מקור אור beamline 7.3.3 איפה את ההגדרות הנ"ל ניתן לאתר בקלות.
  8. הזז את המצע למצב ההתחלתי על ידי הזנת למצב ההתחלתי בתוכנות שליטה מוטורית. הפעל את תריס רנטגן הגלאי ברציפות ירשום אותות עקיפים / פיזור.
  9. הפעל את משאבת המזרק להאכיל פתרון לתוך ראש ההדפסה. כאשר הפתרון מתחיל להוציא מראש ההדפסה (פיקוח על ידי מצלמת מעקב), להתחיל את תהליך ההדפסה במהירות.
    הערה: כאשר מדידת המיקום שנבחר מראש הוא הגיע, 2-D גלאי יהיה ללכוד את אות הפיזור מפתרון. עובי הסרט יהיה פיקוח על ידי אינטרפרומטר. לכן אבולוצית סרט המורפולוגיה הדקה תתועד.
  10. הרם את המדפסתראש ולנקות את הראש כאשר הניסוי נעשה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

שמוצג באיור 3 היא מערכת ציפוי מיני החריץ למות. הוא מורכב מכונת ציפוי אחד, משאבת מזרק אחד וקופסת שליטה מרכזית. מכונת הציפוי היא החלק החיוני, העשוי ראש למות חריץ, במת translational אופקית אחד, ועל במת translational אנכית אחד. ראש החריץ למות הוא רכוב על הבסיס של מנוע אנכי translational באמצעות מניפולטור הטיה 2-D. 10a האיור מראה גוף המדפסת הראשי ללא הרכבת ראש ההדפסה שממנו המניפולטור ההטיה 2-D מודגש. איור 10b מציג את ההרכבה של ראש ההדפסה כדי המניפולטור ההטיה 2-D. 10c האיור מראה תמונה מוגדלת של ראש הדפסת צלחת בסיס. חיישן כוח מובנה בתוך הבמה translational האנכית. בניסויים, השלב האנכי translational משמש להתאמת מרחק הראש אל המצע, ואת המנוע הטיית 2-D משמש adjuרח הראש להיות אנכי לחלוטין. חיישן הכח משמש כדי לפקח על המשקל של מערכת הראש למות חריץ. ברגע הראש נוגע המצע, קפיצת מקריאה חיובית קריאה שלילית תקוים, המציינת את מיקום הראש. הראש מועבר עד לגובה הרצוי לתת פער מסוים. במהלך הדפסה, הראש למות חריץ הוא קבוע ואת מהלכי במת translational האופקיים התחתונים. עם שסע נוזלי להיות להימכר ראש, סרט אחיד ניתן להשיג. יצוין כי הן ראש מדפסת צלחת מצע חדש שפרו מערכות בקרת טמפרטורה. טווח טמפרטורות מ בטמפרטורת החדר עד C 150 ° ניתן להשתמש במהלך ההדפסה עבור מערכת זו. 11a האיור מראה מצע איטו מצופה פולימר מצומדות: PCBM תערובות. הסרט הוא די חלקה חזותית. יצוין כי את ההתחלה ואת הסוף של הסרט המצופה אינה תמיד אחידה, בשל המניסקוס נוצר הייבוש מן הקצוות. אם su bstrate ארוך מספיק או אם המצע הוא מצופה באופן רציף (כמו עם מדפסת R2R), בעיה זו יכולה להיפתר.

טרי מצופה מצע (זכוכית / איטו / PEDOT: PSS / שכבה פעילה) מועבר לתוך תנור ואקום על פני תקופה קצרה ולאחר מכן נטען לתוך מסכות צל. המסכה הוא נטען לתוך המאייד כדי שכבה דקה קטודה הפיקדון. שמוצג באיור 5 היא צל מסכה המשמשת בניסוי. איור 11b מציג מכשיר הושלם לאחר בתצהיר שכבת קתודה. מופע המכשיר נמדד באמצעות סימולטור שמש מתחת ל -100 mW / 2 סנטימטר לפני צהרי מצב 1.5. שמוצגת באיור 12 עקומה נוכחי מתח נציג של חריץ מיני למות מכשיר מצופה. יעילויות המרת ספק ממוצעות של 5.2% מושגת עבור חריץ למות התקנים מצופים, המקורב מזה שהושג ע"י ציפוי ספין (~ 5.6% PCE).

1 "> באתרו GIXD וניסויי GISAXS שיטות שימושיות כדי לעקוב אחר התפתחות המורפולוגיה של דיו BHJ מודפס. גיבוש הפולימר יכול להיות מועבר על ידי פרדת ניסוי שלב GIXD יכול להיות מועברת על ידי GISAXS. בניסויים, את החריץ המיני coater למות הוא רכוב על גבי goniometer בתוך הקופסה הליום (איור 13). את חיבור הכבל יהיה לזווג וכך, יכול להיות מופעל המכשירים מחוץ לכלוב synchrotron. שמוצג באיור 14 הוא במרכז הניתוחים בבית beamline רנטגן . המחשב השמאלי העליון שולט פרמטרי beamline; המחשב המרכזי הוא ממשק הפעלת beamline השולט תריס רנטגן ונתונים רשומים; המחשב מהשמאל לחלון האנלוגי עבור מצלמת מעקב שתי בתוך הלול, אחד מתמקד בעמדה המדגמת ואחד מתמקד חריץ ראש החריץ למות ולכן יכול לפקח על מצב הפתרון: המחשב השמאלי התחתון פועל איל translational האופקי והאנכידואר תוכנת מנוע תוכנות שליטת מזרק משאבה. שמוצג באיור 15 הוא טיפוסי זווית קטנה שכיח מרעה באתרו פיזור ניסוי במהלך ייבוש ממס. אבולוצית הזמן היא בצבעים. בשלב מוקדם יותר של ייבוש (עודף של ממס קיימים), עקומת פיזור אדומה נתפסת, תערובות מעורבבות היטב. פסגת פיזור התפתחה בהדרגה בסביבות 0.02 -1, מה שמעיד על ~ 60 ננומטר של הפרדת פאזות. מידע זה, כאשר מצמידים בתוצאות GIXD באתרו, יגיד לנו קינטיקה של התגבשות פולימר הפרדת פאזות.

איור 1
איור 1: המבנה הכימי של DPPBT פולימר מצומדות ו- PC פולרן שינוי כימי 71 BM השתמשו במחקר זה. בבקשה תלחץכאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 2
איור 2: 1/3 סיר מצעי איטו מתל טפלון המשמשים לניקוי זכוכית איטו. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 3
איור 3: (א) גוף ראשי של coater למות מינים-חריץ. ראש ההדפסה הוא רכוב על מניפולטור ההטיה. שתי הידיות מעל הראש למות חריץ משמשות רק כדי ההטיה של ראש ההדפסה. מנוע צעד צורה עגול הוא רכוב אנכי לספק תנועה אנכית של ראש ההדפסה. שלב התרגום אופקי העיקרי הוא רכוב על הפנלים לספק ליניאריתנועה כדי לצפות את הסרט. ניתן לחמם שני בסיס הראש ואת מצע ההדפסה. (ב) תיבת הבקרה עם משאבת מזרק רכוב על גבי. הקובייה השמאלית היא הבקר עבור המנוע האנכי; הקובייה באמצע הוא בקר המנוע האופקי; שלושת הלוחות מהימין הם מבקרים טמפרטורה עבור הראש (למעלה), בקר טמפרטורה לבסיס (באמצע), חיישן כוח. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 4
איור 4: מיני-חריץ למות מנוע מדפסת שליטת ממשקי תוכנה. (א) ממשק תוכנה עיקרי: מנוע הצעד האנכי תוכנות שליטה היא על תוכנת מנוע translational העליונה ולינארית נמצא בתחתית הרשימה; (ב) הגדרת מהירות ותאוצההגדרת ממשק עבור שני מנועי translational אנכיים ואופקיים; (ג) עמדת הגדרת מנוע translational אופקי. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 5
איור 5: מסיכת צל המשמשת בתצהיר שכבת קתודה. מצעים מכשירים יהיו טעונים לאזור החתך של המסכה. המסכה תהיה רכובה על תא האידוי, ומתכת אלקטרודה תופקד דרך האזורים המלבנים לחתוך. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 6 <br /> איור 6: (א) מאייד ופריסת חתיכים האלקטרודה. במבצע, ספינת המתכת טנטלום יהיה רכוב שביניהם חתיכים האלקטרודה. מתכת אלקטרודה תיטען בסירה; נוכחי וחשמלי לחמם את הסירה כדי מתכת האלקטרודה להתאדות תרמית. (ב) ממשק שליטה מאייד. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 7
איור 7: מערכת מדידת פוטו רגילה. (א) סימולטור שמש; (ב) בקר סימולטור שמש; (ג) בקר סימולטור שטף שמש. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

הספרה 8
איור 8: מרעה השכיח רנטגן ניסויים עקיפים באמצעות תיבת הליום. תיבת הליום משמשת להפקת אווירה ניסיון כי יש פיזור אוויר פחות. מדפסת למות חריץ מותקן בתוך הקופסה הליום במהלך הניסוי. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 9
איור 9: ממשק תוכנות שליטה beamline synchrotron. ממשק זה קובע את הניסוי beamline. הלוח השמאלי משמש כדי ליישר דגימות; בחלונית הימנית שולטת זמן חשיפת רנטגן, הניסוי שם, ומציגה את אות הפיזור. : //ecsource.jove.com/files/ftp_upload/53710/53710fig9large.jpg "Target =" _ blank "> לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 10
איור 10: Mini-חריץ למות מדפסת חלקים עיקריים מוגדלים. (א) הגוף העיקרי של coater חריץ למות. מנוע אנכי מצמיד עם חיישן כוח תא עומס משולב על מניפולטור אנכי. מניפולטור ההטיה 2-D הוא רכוב על מניפולטור אנכי. (ב) ראש המדפסת כי הוא רכוב על מניפולטור ההטיה 2-D. (ג) זום בתמונה של ראש המדפסת. הראש הוא קרוב מאוד צלחת בסיס בנקודה זו. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

מחדש 11 "src =" / files / ftp_upload / 53,710 / 53710fig11.jpg "/>
איור 11: מצע צופה בשכבה פעילה פוטון (משמאל) והתקנים הושלמו לאחר בתצהיר שכבת הקתודה (מימין). אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 12
איור 12: עקומה נוכחית במתח של חריץ למות מכשיר מצופה. זרם קצר, מתח מעגל פתוח ניתן לקרוא מיירט הציר העקום. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 13
איור 13: strong> coater למות מיני-חריץ טעון בתוך תיבת הליום בתחנת synchrotron. (א) מבט מלפנים; (ב) להציג צד. אינטרפרומטר אופטי הוא רכוב לפקח על העובי של הסרט המצופה. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 14
איור 14: שליטה במערכת של ניסוי ציפוי חריץ למות מיני in-situ מתקדם מקור אור beamline 7.3.3. ממשק כל מסומן באיור. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

3710fig15.jpg "/>
איור 15: האבולוציה מורפולוגיה אופיינית GISAXS. התאמת עקומות יש צורך השיג את המידע של פרדות שלב. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

השיטה המתוארת כאן מתמקדת בפיתוח שיטה להכנת סרט וניתן לשנותם בקלות בייצור תעשייתי. הדפסת סרט דקה ואפיון מורפולוגיה סינכרוטרון הם השלבים הקריטיים ביותר עם הפרוטוקול. במחקר OPV מדורג במעבדה קודם, ציפוי ספין משמש כשיטה הדומיננטית לפברק התקני סרט דקים. עם זאת, תהליך זה משתמש בכוח צנטריפוגות גבוה להתפזר פתרון BHJ, וזה שונה לגמרי מבוסס תעשייתי רול ל-רול ייצור. לכן הידע והניסיון המתקבל מחקר ציפוי ספין לא ניתן להעביר ישירות ייצור מכשיר שטח גדול. מכשיר הציפוי למות מיני החריץ שהוצג המחקרים הנוכחיים משול למכשיר ציפוי סרט התעשייתי וכך יהיה אידיאלי לבדיקת קדם-תעשייתית. פרמטרים השולטים מורפולוגיה הסרט, אשר מתאימות את ביצועי המכשיר, צריך להיות reinvestigated. עלות חומר ציפוי למות מיני חריץ היא מינימאלית וכךכמות גדולה של תנאי ייצור מכשיר יכולה להיות מותאמת.

מדידת סינכרוטרון משמשת כדי לקבוע את אבולוצית המורפולוגיה של heterojunction בתפזורת (BHJ) סרטי תאים סולריים דקים. אנחנו לבצע עקיפת רנטגן שכיחות מרעה (GIXD) ופיזור מרעה שכיח רנטגן (GISAXS) לפקח על ההתפתחות של המבנה. הוא אידיאלי לרוץ יחד שני ניסויים אלה. אם לא ניתן, הם יכולים להיעשות בנפרד. ההבדל היחיד בין GIXD ו GISAXS הוא מדגם אל גלאי מרחק, וכך אנו רק לתאר את פרטי הניסוי פעם. PEDOT: פרוסות סיליקון מצופה PSS ישמש מצעים ציפוי. תהליך ההדפסה הוא זהה לתהליך עבור ייצור המכשיר. זה קריטי, כי עמדת המדפסת על פני המצע חושב היטב לוודא בטווח q התקין ניתן להגיע ונקודת מוצא מצע ואת נקודת סיום יכולים להיחשף לקרינת רנטגן. כמו כן שים לב כי בניסוי GIXD, המדגם ל-גלאי distaNCE הוא קטן, ואת גלאי המותקן די קרוב בתיבת הליום. בניסוי GISAXS, צינור עף יש צורך להפחית פיזור האוויר מאז המרחק מדגם אל הגלאי הוא די גדול (~ 4 מ 'הגדרת הניסוי הזה). יש לציין כי הן GIXD ומדידות GISAXS נעשים במיקום שהסתיים. כאשר תהליך ההדפסה מגיע לעמדה והכלה, מנוע translational ליניארי מפסיק, ונתוני פיזור / עקיפת רנטגן רציפות נוצרים. ראוי לציין, כי מרחק הנסיעה לשלב ליניארי translational הוא 10 ס"מ. בשעה למצב ההתחלתי, המצע הוא רחוק קרן הרנטגן, ורק האות של רקע השידור נרשמת גלאי 2-D רנטגן. כאשר הלך המצע למצב המדיד, זה ישתנו מן השידור פיזור פיזור שכיחות מרעה, ואת המעבר הזה יכול לשמש כסמן ההתחלה של הניסוי.

גודלו הקטן של coater למות מיני חריץ הוא מתאים היטב r לשימוש במעבדה esearch. צריכת חומרים פוטו-פעיל היא נמוכה למדי. בדרך כלל, 10 מ"ג של פולימר מצומדות יכולים לעשות 1-2 מיליליטר של תמיסה. ההיקף מת ראש ההדפסה הוא על 0.25 מיליליטר. בכל ניסוי ציפוי, ~ 0.1 מ"ל משמש. לפיכך, השיטה החדשה היא יעילה עם שימוש בחומרים. בדרך כלל 100-200 מ"ג של חומרים יהיה מספיק כדי להקרין מטריצה ​​מכרעת של תנאי עיבוד, כגון יחס ערבוב, בחירה ממסה, חישול תרמית, קבלת חריץ מיני למות ציפוי שיטה יעילה הקרנת חומרים חדשה. במהלך ניסוי ההדפסה, לוודא כי משאבת המזרק אינה עולה על קצה גבול יכולתה. נקה את הראש כמו שצריך להיפטר הצטברות מוצקה בתוך חריצי הראש; אחרת, זה ייתקע המערכת. בעת שינוי מפתרון אחד למשנהו, לבצע ניקיון יסודי; זיהום צולב אחר יכול לקרות. הפולימר פעיל פוטון מראה צבע מיוחד שלה, אשר ניתן להשתמש בהם כאינדיקטור כמו אם ראש הוא ניקה לחלוטין או לא.

ve_content "> The coater למות מיני חריץ יכול לשמש בתחומים שונים הקשורים עיבוד סרט דק. בעיבוד OPV המכשיר, ניתן לכלול פרמטרים חדשים. לדוגמה, הטמפרטורה הראש למות חריץ יכול להיות נשלט, ולכן ציפוי פתרון חם . ניתן להשיג המשטח יכול גם להיות מחומם;.. ולפיכך שיעור אידוי הממס יכול להיות מכויל מירויות ציפוי שונות גם יכולות לשמש, לגוון את שיעור הגזירה לשלוט מורפולוגיה בניסויים הנוכחיים, רק הניסוי הפשוט באמצעות מצע קשה מודגם. מצעי מוליך פלסטיק יכולים לשמש גם כדי לפברק מכשירים גמישים. לעומת ספין ציפוי, ציפוי למות מיני חריץ מספק עיבוד דומה ייצור תעשייתי, אשר חיוני כדי לסייע אופטימיזציה תיעוש של טכניקת OPV. אחת המגבלה העיקרית של הטכניקה הזו הוא כי ייצור המכשיר לא יכול להיות מתמשך, אשר היה צריך מכונה ציפוי רול ל-רול. עם זאת, ציפוי למות מיני חריץ יכול במהירותלייעל את תנאי העיבוד וסינון חומר מהר. תצפיות אלה מספקים תובנות מועילות לייצור הפאנל גדול רול ל-רול.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Brabec, C. J., et al. Polymer-Fullerene Bulk-Heterojunction Solar Cells. Adv. Mater. 22, (34), 3839-3856 (2010).
  2. Thompson, B. C., Fréchet, J. M. J. Polymer-Fullerene Composite Solar Cells. Angew. Chem. Int. Ed. 47, (1), 58-77 (2008).
  3. Günes, S., Neugebauer, H., Sariciftci, N. S. Conjugated Polymer-Based Organic Solar Cells. Chem. Rev. 107, (4), 1324-1338 (2007).
  4. Krebs, F. C., et al. The OE-A OPV demonstrator anno domini 2011. Energy Environ. Sci. 4, (10), 4116 (2011).
  5. Krebs, F. C., Tromholt, T., Jørgensen, M. Upscaling of polymer solar cell fabrication using full roll-to-roll processing. Nanoscale. 2, (6), 873 (2010).
  6. Liu, F., Gu, Y., Jung, J. W., Jo, W. H., Russell, T. P. On the morphology of polymer-based photovoltaics. J. Polym. Sci. Polym. Phy. 50, (15), 1018-1044 (2012).
  7. Liu, F., et al. Characterization of the morphology of solution-processed bulk heterojunction organic photovoltaics. Prog. Polym. Sci. 38, (12), 1990-2052 (2013).
  8. Schmidt-Hansberg, B., et al. In situ monitoring the drying kinetics of knife coated polymer-fullerene films for organic solar cells. J. appl. phys. 106, (12), 124501 (2009).
  9. Pearson, A. J., Wang, T., Lidzey, D. G. The role of dynamic measurements in correlating structure with optoelectronic properties in polymer fullerene bulk-heterojunction solar cells. Rep. Prog. Phys. 76, (2), 022501 (2013).
  10. Treat, N. D., et al. Interdiffusion of PCBM and P3HT Reveals Miscibility in a Photovoltaically Active Blend. Adv. Energy Mater. 1, (1), 82-89 (2010).
  11. Collins, B. A., et al. Molecular Miscibility of Polymer-Fullerene Blends. J. Phys. Chem. Lett. 1, (21), 3160-3166 (2010).
  12. Chen, D., Liu, F., Wang, C., Nakahara, A., Russell, T. P. Bulk Heterojunction Photovoltaic Active Layers via Bilayer Interdiffusion. Nano Lett. 11, (5), 2071-2078 (2011).
  13. Gu, Y., Wang, C., Russell, T. P. Multi-Length-Scale Morphologies in PCPDTBT/PCBM Bulk-Heterojunction Solar Cells. Adv. Energy Mater. 2, (6), 683-690 (2012).
  14. Perez, L. A., et al. Solvent Additive Effects on Small Molecule Crystallization in Bulk Heterojunction Solar Cells Probed During Spin Casting. Adv. Mater. 25, (44), 6380-6384 (2013).
  15. Lee, J. K., et al. Processing Additives for Improved Efficiency from Bulk Heterojunction Solar Cells. J. Am. Chem. Soc. 130, (11), 3619-3623 (2008).
  16. Shin, N., Richter, L. J., Herzing, A. A., Kline, R. J., DeLongchamp, D. M. Effect of Processing Additives on the Solidification of Blade-Coated Polymer/Fullerene Blend Films via In-Situ Structure Measurements. Adv. Energy Mater. 3, (7), 938-948 (2013).
  17. Sødergaard, R., Hösel, M., Angmo, D., Larsen-Olsen, T. T., Krebs, F. C. Roll-to-roll fabrication of polymer solar cells. Mater. Today. 15, (1-2), 36-49 (2012).
  18. Liu, F., et al. Efficient Polymer Solar Cells Based on a Low Bandgap Semi-crystalline DPP Polymer-PCBM Blends. Adv. Mater. 24, (29), 3947-3951 (2012).
  19. Liu, F., et al. Relating Chemical Structure to Device Performance via Morphology Control in Diketopyrrolopyrrole-Based Low Band Gap Polymers. J. Am. Chem. Soc. 135, (51), 19248-19259 (2013).
  20. Liu, F., et al. Fast Printing and In Situ Morphology Observation of Organic Photovoltaics Using Slot-Die Coating. Adv. Mater. 27, (5), 886-891 (2015).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Video Stats