バルクヘテロ接合太陽電池の印刷作製と
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

ここでは、シンクロトロン散乱技術を使用して、ミニスロットダイコーターを用いた有機薄膜太陽電池を製造するためのプロトコルとインライン関連構造の特徴付けを示します。

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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

有機太陽光発電(OPV)は、近い将来に費用対効果の高い再生可能エネルギーを生成するために有望な技術です。 1、2、3、多大な努力が光活性ポリマーを開発し、高効率のデバイスを製造する試みがなされてきました。現在までに、単層OPVデバイスは、> 10%の電力変換効率(PCE)を達成しています。これらの効率は、膜を生成するために、スピンコーティングを使用して、実験室規模のデバイスで達成されている、より大きなサイズのスケールのデバイスへの変換は、PCEの有意な減少を伴うされています。業界では4、 図5に示すように 、ロール・ツー・ロール(R2R)系薄膜コーティングは、特に、溶媒除去の速度で、典型的な実験室規模のプロセスとは全く異なっている導電性基板上の光子活性薄膜を生成するために使用されます。形態は、KIあるので、これは非常に重要ですnetically相分離、秩序、配向および溶媒蒸発を含む複数の動力学的プロセス、間の相互作用から生じる、捕捉されました。 6、7、この動力学的にトラップされた形態は、しかし、大部分は太陽電池デバイスの性能を決定します。したがって、コーティングプロセスの間に形態学の発展を理解することは、パフォーマンスを最適化するように形態を操作するために非常に重要です。

形態の最適化は、溶媒が除去される溶液中の正孔伝導性ポリマーの順序に関連した動態を理解する必要があり、 8、 図9は、フラーレンベースの電子伝導体とポリマーの相互作用を定量化します。モルフォを定義する添加剤の役割を理解する10、11、12でれっと; 13、14、15、溶媒(単数又は複数)及び添加剤の蒸発の相対速度のバランスをとります。 16工業的に関連する設定で、活性層に定量的形態の進化を特徴付けるための課題でした。ロール・ツー・ロール処理を大規模OPVデバイスの製造のために研究されています。 4、17しかし、これらの研究は、効果の研究市販のポリマーへの制限、材料の大量に使用される製造環境で行いました。

本論文では、ミニスロットダイコーティングシステムを使用してOPVデバイスを製造する技術的な詳細が示されています。このようなフィルムの乾燥速度と膜厚制御などのコーティングパラメータを直接産業FAに関するこの研究を行う、より大規模なプロセスに適用可能ですbrication。また、材料の非常に少量の新たな合成材料にこの処理を適用作り、ミニスロットダイコーティング実験に使用されています。設計では、このミニスロットダイコーターは、シンクロトロンのエンドステーションに装着することができ、したがって、入射小角X線散乱(GISAXS)を放牧し、X線回折(GIXD)が進化に関するリアルタイムの研究を可能にするために使用することができます長さの広範囲の形態の加工条件の範囲の下でフィルムの乾燥工程の異なる段階でスケーリングします。これらの研究で得られた情報は、直接に工業生産の設定に転送することができます。使用される材料の少量は、光活性材料および種々の処理条件下でその混合物の多数の迅速なスクリーニングを可能にします。

ローバンド共役ポリマーベースの半結晶性ジケトピロロピロール及びクォーター(DPPBT)はモデル供与体材料として使用され、(6,6) - フェニルC71-butyriれますC酸メチルエステル(PC 71 BM)は、電子受容体として使用されます。 18、19これは、そのDPPBT以前の研究で示されている:溶媒としてクロロホルムを使用した場合、PC 71 BMブレンドは、大きなサイズの相分離を形成します。クロロホルム:1,2-ジクロロベンゼン溶媒混合物は、相分離の大きさを減少させ、従って、デバイス性能を高めることができます。溶媒乾燥プロセス中の形態形成は、入射X線回折および散乱を放牧することによってその場で検討されています。太陽電池素子は、ミニスロットダイコーターを用いて作製スピンコーティングように製造装置に類似している20、最良の溶媒混合条件を使用して5.2%の平均PCEを示しました。ミニスロットダイコーターは、工業的に相対これらの物質の予測生存率のギャップを埋める、産業プロセスを模倣する研究室の設定で、太陽電池デバイスを製造するための新しいルートを開きますevant設定。

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Protocol

1.フォトンアクティブブレンドインク調製

  1. (化学構造は、 図1に示す)DPPBTポリマーを10mgとPC 71 BM材料10mgを秤量します。 4ミリリットルバイアルでそれらを混ぜます。
  2. 混合物中に1.5ミリリットルのクロロホルムおよび1,2-ジクロロベンゼンの75μLを加えます。
  3. 、バイアルに小さな撹拌棒を入れ、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)キャップでバイアルを閉じ、ホットプレートにバイアルを移します。 〜50℃で一晩使用前に〜400rpmで、かつ熱で撹拌。

2. ITOとウエハ基板洗浄と準備

  1. 負荷プリパターニングインジウムスズ酸化物(ITO)ガラス基板(3インチ×1インチの半分でITOを除去)、またはシリコンウェハは、テフロン(登録商標)洗浄用ラックに、ガラス容器( 図2)にラックを置きます。ガラス容器に希釈洗剤溶液(300ml mlの1%万能洗剤溶液)を添加し、15分間超音波処理し、超音波処理中にガラス容器に入れました。
  2. 界面活性剤を除去し、脱イオン(DI)水を数回でITOガラスをすすぎます。その後、容器に300ミリリットルのDI水を追加し、さらに15分間超音波処理装置にガラス容器を置きます。
  3. 容器から水を除去します。容器に300ミリリットルのアセトンを追加し、15分間超音波処理します。
  4. アセトンを除去します。ガラス容器に300ミリリットル2-isopranolを追加し、15分間超音波処理します。
  5. オーブンの中に出てラッククリーニングを移動します。 100℃にオーブン温度を設定し、ITOガラスが完全に乾燥するまで3-5時間を待ちます。
  6. 洗浄された基板を取り出します。 UVオゾンクリーナーや酸素プラズマクリーナーにそれらを転送します。製造業者のプロトコルに従って〜15分のためにそれらをきれいにするハイパワーUVオゾンやプラズマを使用してください。
  7. 、スピンコーター上に洗浄した基板を入れ、150μlのポリ(3,4-エチレンジオキシチオフェン)ポリスチレンスルホン酸(PEDOT:PSS)を追加し、洗浄した基板上に溶液を、そしてコートに3000rpmでスピンコートを〜30nmのPEDOT:PSS(PEDOT:PSS 4083)ITOガラスやシリコンウエハのいずれかの上に薄膜。
  8. スピンコーティングされた基材を脱ぎます。 15分間150℃で加熱プレートとアニール上に新鮮なコーティングされた基板を移送します。

3.活性層の印刷

  1. 負荷基板。ミニスロットダイコーターのベース板上にPSSコーティングされたITO基板:PEDOTを入れてください。しっかりと基板を保持するために、スロットダイコーターの真空チャックに接続された真空ポンプをオンにします。 (異なるコンポーネントを配置するために、図3を参照してください。)
  2. 右プリンタヘッドの下にそれを置くために、基板の位置を調整します。これは、基板プレートの下線形マニピュレータを使用することによって行うことができます。
  3. プリントヘッドを保持している2次元の傾斜マニピュレータを使用して傾けるヘッドを調整します。ヘッドがロードされた基板の上に垂直に立っていることを確認します。このプロセスにおいて、印字ヘッドが近いsubstraに低下させることができることに注意してくださいTE。頭が傾いているか否かを示すために、記録ヘッドと基板との間のギャップを使用してください。ウエハ基板を使用した場合、印刷ヘッドのマイナーな画像が表示されます、傾きを確認するためにはるかに容易になりますので、これは、非常に有用であろう。
  4. チューンゼロに頭 - 基板距離。垂直運動は、力センサに連結されています。印字ヘッドが浮上した場合には、一定の力の読みは(頭を印刷し、マニピュレータアセンブリを傾ける重量から)得られます。プリンタヘッドは、基板に触れたら、読み取りがゼロ位置をマーキング、減少します。ステップ距離の設定については、 図4を参照てください。距離を調整することでジョグモードを使用します。
    注:垂直マニピュレータ並進板がバネを使用してベースに接続され、バネ定数が僅かに変化します。このように、力センサの小さな変化は、実験中に避けられません。
  5. 実験を実行するために、ヘッドと基板の値を設定します。この実験では、設定100μmで基板ギャップに頭。
  6. 印刷するために使用されるリニア並進ステージモータを調整します。開始点と終了点を探します。これらの値を記録します。リニアモータの移動距離は100mmです。ここでは、出発点として、10mmのモータ位置と終点80がミリメートルモータの位置を設定します。
  7. モーター制御ソフトウェアインターフェース( 図4b)を用いて、10ミリメートル/秒の印刷速度を設定します。 100メートル/秒にモータ加速速度を設定します。
    1. モーターが正常に動作しないか、ソフトウェアにエラーが発生した場合、ソフトウェアを再起動し、ソフトウェアインターフェイスで、その後 "有効"と "ホーム"をクリックしてください。印刷処理中に、プリントヘッドが固定されたままと基板を溶液を分配し、産業用印刷処理を模倣するように移動することに注意してください。
  8. ロードDPPBT:PCBM溶液(室温)1mlシリンジに、スロットに接続されたシリンジポンプにシリンジをマウントプリンタを死にます。ソフトウェア(注射器の直径および溶液供給速度、この場合、0.3 ml /分)の制御における印刷パラメータを設定します。
  9. 印刷実験を開始します。
    1. ソフトウェアを制御する際に、位置ウィンドウで始点位置を入力して、出発点に基板を移動します。詳細については、 図4cを参照てください。
    2. シリンジポンプソフトウェアの開始をクリックすることで、スロットダイヘッドへの溶液を圧送するように起動します。代わりに、手動でシリンジポンプを操作します。各コーティングのために、ソリューションの〜100μlの周りに使用されます。通常、初めて印刷用に300μlのソリューションを使用し、繰り返し印刷用〜100μlの溶液を使用してください。
    3. 迅速にソリューションは、印刷ヘッドから出てくるの起動時に並進運動を開始し、基板が終了位置に移動します。これは重要なステップであることに注意してください。モーター楽章を開始するために、入力した位置のウィンドウに終了位置の並進運動をプリロードし、クリックement。
    4. シリンジポンプを停止し、垂直方向のモーターを用いて印刷ヘッドを持ち上げます。オフ真空を回してベースプレートオフ基板を取ります。この印刷ヘッドのためのデッドボリュームは250μLであるため、最初の時間を埋めることは、溶液の250以上μLを取ることに注意してください。
    5. 残留溶媒を除去するために、3-5時間、真空オーブンにプリント基板をロードします。
    6. 印字ヘッドの下にペトリ皿を置きます。ヘッドをクリーニングするプリントヘッドに10ミリリットルのクロロホルムをポンプ。ペトリ皿で、汚染さクロロホルム溶液を収集します。洗浄液をポンピングしながら、印字ヘッドをきれいに綿棒を使用してください。各コーティングの実行後に、別の解決策が使用されている場合は特に、プリントヘッドのクリーニングを行ってください。
      注:DPPBT:PCBM溶液は暗緑色を示しています。クリーニングが完了すると、何色がクロロホルム溶媒から理解することができません。

4.カソード電極蒸着

  1. ロード活性層は、シャドーマスク( 図5)上に基板をコーティングし、蒸発室にマスクをマウントします。
  2. 電極スタッド( 図6a)との間に2熱蒸着ボートを置きます。 LiFを塩と1ボート(かろうじてカバーボート、〜0.2グラム)とアルミニウム金属と1ボート(4ペレット)をロードします。
  3. 蒸発室を閉じ、約2×10 -6 Torrまで蒸発チャンバーをポンプダウン。
  4. 100nmのアルミニウム続いLiFを1nmのを堆積させるために、チャンバを設定します。現在の場合、LiFを蒸着するために20%の電力を使用し、Al堆積のために26%の電力を使用します。 図6bに示す本研究で使用されるシステムの蒸発器の制御インターフェースです。
  5. 避難ポンプを停止し、窒素ガスでチャンバーを埋めます。圧力が大気圧に戻ると、基板を取り出します。

5.太陽光発電の性能測定

  1. 半分のガラススライドを準備しますデバイス製造に使用されるITOガラスの幅。グローブボックス内でこのステップを実行します。ガラス基板の片面に貼り付け、エポキシ接着剤、エポキシ接着剤コーティングされたガラススライドを使用してデバイス領域をカバーする(サンプル・デバイスについては、 図11を参照)。エポキシが硬化したとき、デバイスは完全に密封されます。
  2. 太陽光シミュレーションランプを開始し、100ミリワット/ cm 2の1.5放射線AMに設定。測定の前に、約15分間のランプを安定させます。 図7に示す本研究で用いたPV計測システムです。
  3. 楽器を示唆距離でのソーラーシミュレーターの下でデバイスをマウントします。測定回路にアノードとカソードを接続します。製造業者のプロトコルを用いて電気マルチメータを用いて、電流 - 電圧曲線を記録します。
  4. 次のようにデバイスの性能を決定します。
    J scを:短絡電流、太陽電池デバイスが提供できることを最大電流。
    V ocの FF:係数、J SC * V ocので割っIV曲線の最大面積を埋めます。
    PCE:電力変換効率、J 皮下 *のV ocの* FF /(100mWの/ cm 2)でした。

6.シンクロトロンX線測定

  1. X線測定で空気散乱を抑制するために、ヘリウムボックスを設定します。ヘリウムボックスにミニスロットダイコーターをマウントします。高度な光源のヘリウムボックスを使用して斜入射X線回折実験の実験設定は図8に示されています。
  2. 溶媒蒸発を超える厚さの変化を監視するために、印刷機の上に光干渉計をマウントします。この実験では、( 例えば 、FilmetrixのF20)UVXモデルを使用します。この実験で使用される材料は、300〜900 nmの波長の強い光吸収を持っています。
    1. 光干渉計番目の光源ランプを使用します材料の吸収を避けることができます。この実験では1,100-1,700 nmの波長ランプを使用してください。その操作手順以下の実験の前に、機器を事前にキャリブレーションを行います。
  3. プリンタの基板ホルダ上にPSSコーティングされたウエハ基板を、ステップ3.2から3.5以下のヘッドと基板の位置を調整しますPEDOTを入れてください。真空ポンプの電源をオンにし、ウエハ基板がしっかりと基板ホルダーにこだわっていることを確認します。
  4. 空気を除去するために、ヘリウムボックスをパージします。酸素センサーによってモニターすることができる未満0.3体積%であるべきであること酸素レベルに注意してください。
  5. X線は、基板(印刷時の終了位置)に当たる位置に基板を合わせ、入射角、この場合は0.16°に設定してください。ビームラインプロトコルに従って合わせます。
  6. X線照射時間とデータ取得方法を設定します。ここでは、(サーバ光損傷を避けるために)露光時間として2秒を使用し、遅延時間が3秒続きます。このように、各実験期間の意志5秒です。 100繰り返しの連続キューを行います。このようにして100写真を撮ります。
  7. 実験に名前を付け、実験的なファイルを保存するためにデータ・パスを選択します。 図9に示す上記の設定を容易に配置することができる高度な光源のビームライン7.3.3ユーザインタフェースです。
  8. モーター制御ソフトウェアの開始位置を入力することにより、開始位置に基板を移動します。 X線シャッターを起動し、検出器は、連続的に回折/散乱信号を記録します。
  9. プリントヘッドにソリューションを供給するためのシリンジポンプを起動します。溶液は、(監視カメラによってモニターした)印刷ヘッドから吐出を開始すると、すぐに印刷処理を開始します。
    注:事前に選択された測定位置に到達すると、2次元検出器は、溶液からの散乱信号を捕捉します。膜厚は、干渉計によって監視されます。このように薄い膜形態の発生が記録されます。
  10. プリンタを持ち上げ頭と実験が行われたときにヘッドクリーニングを行ってください。

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Representative Results

図3に示されているミニスロットダイコーティングシステムです。それは、一つのコーティング機、一方のシリンジポンプと、中央制御ボックスで構成されています。コーティング機、スロットダイヘッド、一水平並進ステージと、1つの垂直並進ステージで構成されている本質的な部分です。スロットダイヘッドは、2-Dのチルトマニピュレータを介して垂直並進運動のベースに取り付けられています。 図10aは、2-D傾けるマニピュレータが強調表示されたプリントヘッドを搭載することなく、プリンタ本体を示しています。 図10bは、2-D傾斜マニピュレータにプリントヘッドの取り付けを示しています。 図10cは、プリントヘッドと基板の拡大画像を示しています。力センサは、垂直方向の並進ステージに組み込まれています。実験では、垂直並進ステージは、ヘッドから基板までの距離を調整するために使用され、2次元チルトモータadjuに使用されST厳密に垂直にヘッド。力センサは、スロットダイヘッドシステムの重量を監視するために使用されます。ヘッドは、基板に接触すると、負の読み出しに正読み取りからのジャンプは、ヘッド位置を示す、観察されます。ヘッドは、一定のギャップを与えるために所望の高さまで上昇します。印刷中に、スロットダイヘッドを固定し、底部水平並進ステージの移動です。液体がヘッドスリットから分配されて、均一な膜を得ることができます。プリントヘッドと基板プレートの両方が、温度制御システムを洗練されていることを言及すべきです。室温から150℃までの温度範囲では、このシステムのために印刷時に使用することができます。 11aは、共役ポリマーで被覆されたITO基板を示しています:PCBMブレンド。フィルムは、視覚的に非常にスムーズです。なお、塗膜の始まりと終わりが原因で形成されるメニスカスとエッジから乾燥し、必ずしも均一ではないことに留意すべきです。 suコマンドの場合 bstrateは十分な長さ又は基板は(R2Rプリンタのように)連続的に被覆されている場合、この問題を解決することができます。

新たに塗布された基板(ガラス/ ITO / PEDOT:PSS /活性層)は、短い期間にわたって真空オーブンに移し、その後、シャドウマスクにロードされます。マスクはカソード薄層を堆積させるために蒸発器にロードされます。 図5に示す実験に使用されるシャドウマスクです。 図11Bは、カソード層の堆積後に完成したデバイスを示します。デバイスの性能は100ミリワット/ cm 2のAM 1.5条件ソーラーシミュレーターを用いて測定されます。 図12に示されていることは、ミニスロットの代表的な電流-電圧曲線は、コーティングされたデバイスダイです。 5.2%の平均電力変換効率は、スピンコーティング(〜5.6%のPCE)によって達成に近いスロット死ぬコーティングされたデバイス、達成されます。

1 "> その場で GIXDとGISAXS実験は、印刷されたBHJインクの形態の進化を追跡するための便利な方法がある。ポリマーの結晶化はGISAXSによって追跡することができGIXD実験と相分離によって追跡することができる。実験では、ミニスロットコータは、ヘリウムボックス( 図13)内部のゴニオメータに搭載されて死亡しています。ケーブルの接続は、ペアリングされ、したがって、器具は、シンクロトロンハッチの外側で動作させることができる。 図14に示すX線ビームラインでの動作中心であります。左上のコンピュータは、ビームラインパラメータを制御し、中央コンピュータは、X線シャッターを制御し、データを記録するビームラインの操作インターフェースであり、左側のコンピュータは、ハッチ内部に2監視カメラ用アナログ・ウィンドウで、1はサンプル位置に焦点を当てて一つは、スロットダイヘッドスリット上に焦点を合わせ、したがって、溶液の状態を監視することができ、左下のコンピュータは、水平および垂直並進スタッグを実行しますEモータソフトウェアシリンジポンプ制御ソフトウェア。 図15に示すと、溶媒乾燥時に実験を散乱させるその場斜入射小角において典型的です。時間発展は、色分けされます。 (溶媒の過剰が存在する)、乾燥の初期段階では、赤色散乱曲線が見られ、そして混合物をよく混合します。散乱ピークが徐々に相分離〜60nmのを示す、周り0.02 -1で開発します。この情報には、 その場での GIXD結果と組み合わせると、私たちの高分子結晶化および相分離の動力学を教えてくれます。

図1
図1: 本研究で使用した共役高分子DPPBTの化学構造および化学的に修飾されたフラーレンPC 71 BM。 クリックしてくださいここで、この図の拡大版を表示します。

図2
2:1/3 ITOガラス洗浄に使用されるITO基板とテフロンラックを削除しました。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図3
図3:ミニスロットダイコーターの(a)の本体。印字ヘッドは傾斜マニピュレータに取り付けられています。スロットダイヘッド上記の2つのノブは単にプリントヘッドを傾斜するために使用されます。円形のステッピングモータは、印刷ヘッドの垂直運動を提供するように垂直に取り付けられています。主水平並進ステージは、リニアを供給するため、ベースボードに搭載されていますコートに運動フィルム。プリントヘッドと基板ベースの両方を加熱することができます。シリンジポンプ(b)とコントロールボックスは、上部に取り付けられました。左側のキューブは、垂直電動機の制御装置です。真ん中のキューブは、水平モータコントローラです。右の3つのパネルは、ベース(中央)用のヘッド(上)、温度コントローラの温度コントローラ、および力センサです。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図4
図4: ソフトウェアインタフェースを制御ミニスロットダイプリンタモーター。 (a)は、主ソフトウェア・インターフェース:制御ソフトウェアは、トップとリニア並進運動ソフトウェア上にある垂直ステッピングモータが底にあります。 (b)は、速度設定と加速両方の垂直方向と水平方向の並進運動のためのインタフェースを設定します。水平並進運動のための設定(c)の位置。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図5
図5: 陰極層堆積に使用されるシャドウマスク。デバイス基板は、マスクの切断領域にロードされます。マスクは、蒸発チャンバに装着され、電極金属が切断矩形領域を介して堆積されます。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図6 <BR /> 6:(a) は、蒸発器および電極スタッドレイアウト。動作時には、タンタル金属ボート電極スタッドとの間にマウントされます。電極金属は、ボートにロードされます。そして、電流が熱蒸発電極金属にボートを加熱します。 (b)は、蒸発器制御インタフェース。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図7
図7: 標準太陽光発電計測システム。 (a)は、ソーラーシミュレータを。 (b)は、ソーラーシミュレータコントローラ。 (c)はソーラーシミュレータフラックスコントローラ。 の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。この図。

図8
図8:ヘリウムボックスを使用して、入射X線回折実験を放牧。ヘリウムボックスはより少ない空気散乱を有する実験的雰囲気を生成するために使用されます。スロットダイプリンタは、実験中にヘリウムボックス内に設置されています。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図9
図9: シンクロトロンビームライン制御ソフトウェアインターフェース。このインタフェースは、ビームライン実験を制御します。左のパネルは、サンプルを整列させるために使用されます。右のパネルは、X線照射時間を制御する実験名、および散乱信号を表示します。 ://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/53710/53710fig9large.jpg "ターゲット=" _空白 ">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図10
図10:ミニスロットダイプリンタの主要部分を拡大しました。 (a)は 、スロットダイコーターの本体。垂直運動は、ロードセル力センサと結合され、垂直マニピュレータ上に集積されています。 2-Dのチルトマニピュレータは垂直マニピュレータに取り付けられています。 (b)は、2-Dのチルトマニピュレータに装着されたプリンタヘッド。プリンタヘッドの画像(c)においてズーム。ヘッドは、この時点でベースプレートに非常に近いです。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

11再 "SRC =" /ファイル/ ftp_upload / 53710 / 53710fig11.jpg "/>
図11: フォトン活性層コーティングされた基板(左)とカソード層堆積(右)の後にデバイスを完了しました。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図12
図12: スロットの電流-電圧曲線は、コーティングされたデバイスを死にます。短絡電流、開放電圧、曲線軸切片から読み出すことができます。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図13
図13: シンクロトロンステーションにヘリウムボックス内にロード strong>のミニスロットダイコーター。 (a)は正面図。 (b)は側面図です。光学干渉計は、塗膜の厚さを監視するように取り付けられています。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図14
図14: 高度な光源ビームライン7.3.3でその場でミニスロットダイコーティング実験の制御システム。各インターフェイスは、図にラベル付けされています。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

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図15: 一般的なGISAXSの形態進化。相分離の情報を取得するカーブフィッティングが必要です。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

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Discussion

ここで説明する方法は、簡単に工業生産にスケールアップすることができ、フィルム製造方法の開発に焦点を当てています。薄いフィルム印刷とシンクロトロンの形態の特徴付けは、プロトコルで最も重要なステップです。以前の研究室スケールOPV研究では、スピンコーティング、薄膜デバイスを製造するために支配的な方法として使用されます。しかし、このプロセスは、産業ベースのロール・ツー・ロール製造とは全く異なるBHJソリューションを広げるために、高遠心力を使用しています。従って、スピンコーティング試験から得られた知識と経験を直接大面積デバイスの製造に転送することができません。現在の研究で提示されたミニスロットダイコーティング装置は、産業用フィルムコーティング装置に似ているので、産業革命前のテストのための理想的であろう。デバイス性能に対応するフィルムの形態を制御するパラメータは、再調査する必要があります。ミニスロットダイコーティング中の材料費は、このように最小となりますデバイス製造条件の大量を最適化することができます。

シンクロトロンの測定は、バルクヘテロ接合(BHJ)太陽電池薄膜の形態変化を決定するために使用されます。我々は、構造の変化を監視するために斜入射X線回折(GIXD)及び斜入射X線散乱(GISAXS)を行います。一緒にこれらの二つの実験を実行することが理想的です。可能でない場合、それらは別々に行うことができます。 GIXDとGISAXSの唯一の違いは、サンプル・ツー・検出器の距離であるため、我々は一度だけ実験の詳細を説明します。 PEDOT:PSSコーティングされたシリコンウェーハは、コーティング基材として使用されます。印刷工程は、デバイス製造のためのプロセスと同じです。基板上のプリンタの位置を十分に行うために計算されることが重要であることを確認右Qの範囲に到達することができ、基板の始点と終点は、X線に暴露することができます。また、そのGIXD実験では、サンプル・ツー・検出器DISTAの点に注意してください。NCEが小さく、検出器は、ヘリウムボックスに非常に近い取り付けられています。試料から検出器までの距離(この実験設定で約4メートル)非常に大きいのでGISAXS実験では、飛行管は、空気散乱を低減する必要があります。両方GIXDとGISAXS測定が終了位置で行われることに注意してください。印刷処理が終了位置に到達すると、リニアモータの並進が停止し、連続X線の散乱/回折データが生成されます。リニア並進ステージのための走行距離が10cmであることに注意してください。開始位置では、基板は、はるかにX線ビームであり、背景の唯一の送信信号は、2次元X線検出器に記録されます。測定位置に対して基板が移動すると、それは、斜入射散乱散乱伝送から変化し、この遷移は、実験の開始のマーカーとして使用することができる時。

ミニスロットダイコーターの小さなサイズは、rに適しています esearch実験に使用されます。光活性物質の消費量が非常に低いです。通常、共役系高分子の10 mgのソリューション1〜2mlのを作ることができます。プリントヘッド内の死容積は、約0.25 mlです。各コーティング実験において、〜0.1 mlを使用します。したがって、この新しい方法は、材料の使用量と効率的です。通常、材料の100から200 mgのは、このような配合比、溶媒の選択は、熱アニール、ミニスロットは新素材のスクリーニングにおいて効率的な方法をコーティング死ぬ作るなどの処理条件の広大なマトリックスをスクリーニングするのに十分であろう。印刷実験中、シリンジポンプが限界を超えていないことを確認してください。ヘッドスリット内側固体の蓄積を処分するために、適切にヘッドをクリーニングしてください。そうでない場合は、システムを妨害します。 1溶液から別のものに変更する場合は、徹底したクリーニングを行います。そうでなければ、交差汚染が発生する可能性があります。光子活性ポリマーは、ヘッドが完全に洗浄されているか否か等の指標として使用することができ、その異なる色を示しています。

ve_content ">ミニスロットダイコーターは、薄膜処理に関連する様々な分野で使用することができる。OPVデバイス処理において、新たなパラメータが含まれることができる。例えば、スロットダイヘッドの温度を制御することができるので、高温の溶液塗布達成することができる基板も加熱することができる;このようにして、溶媒蒸発速度を微調整することができる別のコーティング速度が形態を制御するために剪断速度を変化させるために、また使用することができ、現在の実験において、使用した唯一の最も簡単な実験。硬質基板が示されている。プラスチック、導電性基板は、フレキシブルデバイスを製造するために使用することができる。スピンコートを比較して、ミニスロットダイコーティングは、OPV技術の産業化を最適化するうえで重要である工業的製造と同様の処理を提供する。Oneこの技術の主要な制限は、デバイスの製造は、ロールツーロールコーティング機を必要とする、連続的ではないことである。しかし、ミニスロットダイコーティングすることができ、迅速加工条件と高速材料スクリーニングを最適化します。これらの観察は、ロール・ツー・ロール大型パネルの生産に有用な洞察を提供します。

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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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