Fabrication d'impression de gros hétérojonction cellules solaires et
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

Ici, nous présentons un protocole pour fabriquer des cellules solaires à couches minces organiques en utilisant une matrice coucheuse mini-slot et caractérisations connexes en ligne de structure en utilisant des techniques de diffusion de synchrotron.

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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

Photovoltaïque organique (OPV) sont une technologie prometteuse pour produire des énergies renouvelables rentables dans un avenir proche. 1, 2, 3 énormes efforts ont été faits pour développer des polymères photo-active et fabriquer des dispositifs à haute efficacité. À ce jour, seules les dispositifs en couches VPO ont obtenu un rendement de conversion de puissance> 10% (PCE). Ces gains d'efficacité ont été réalisés sur des dispositifs à l'échelle de laboratoire en utilisant le revêtement par centrifugation pour produire le film, et la traduction à des appareils de plus grande échelle de taille a été lourde de réductions significatives du PCE. 4, 5 Dans l' industrie, roll-to-roll revêtement de film mince (R2R) sur la base est utilisée pour générer des photons couches minces actives sur des substrats conducteurs, ce qui est tout à fait différent des procédés typiques échelle du laboratoire, en particulier dans le taux d'élimination du solvant. Cela est essentiel puisque les morphologies sont kinetically piégé résultant de l'interaction entre de multiples processus cinétiques, y compris la séparation des phases, la commande, l'orientation et l'évaporation du solvant. 6, 7 Cette morphologie cinétiquement piégées, cependant, détermine en grande partie les performances des dispositifs à cellules solaires. Par conséquent, la compréhension de l'évolution de la morphologie pendant le processus de revêtement est d'une grande importance pour la manipulation de la morphologie de manière à optimiser les performances.

L'optimisation de la morphologie, il faut comprendre la cinétique associée à la commande du polymère conducteur de trous dans la solution de solvant est éliminé; 8, 9 quantifier les interactions entre le polymère avec le conducteur d'électrons à base de fullerène; 10, 11, 12 comprendre les rôles des additifs dans la définition du morphologie; 13, 14, 15 et d' équilibrer les vitesses relatives d'évaporation du solvant (s) et des additifs. 16 Il a été un défi pour caractériser l'évolution de la morphologie quantitativement dans la couche active dans un cadre pertinent industriellement. traitement Roll-to-roll a été étudié pour la fabrication de dispositifs à grande échelle VPO. 4, 17 Toutefois, ces études ont été réalisées dans un environnement de fabrication où de grandes quantités de matériaux sont utilisés, ce qui limite efficacement les études de polymères disponibles dans le commerce.

Dans cet article, les détails techniques de fabrication de dispositifs de VPO en utilisant un système de revêtement de la filière mini-fente sont démontrées. paramètres de revêtement tels que la cinétique de séchage de film et le contrôle de l'épaisseur du film sont applicables aux grands procédés à l'échelle, ce qui rend cette étude directement liée à l'industrie fabrication. Par ailleurs, une très petite quantité de matière est utilisée dans l'expérience de revêtement fente de filière de mini, ce qui rend ce traitement applicable à de nouveaux matériaux synthétiques. Dans la conception, ce mini-slot die coucheuse peut être monté sur les stations terminales de synchrotron, et le pâturage ainsi l'incidence diffusion aux petits angles de rayons X (GISAXS) et diffraction des rayons X (GIXD) peut être utilisé pour permettre des études en temps réel sur l'évolution de la morphologie dans une large gamme d'échelles de longueur à différentes étapes du processus de séchage du film dans une gamme de conditions de traitement. Les informations obtenues dans ces études peut être transféré directement à un réglage de la fabrication industrielle. La petite quantité de matériaux utilisés permet un criblage rapide d'un grand nombre de matériaux photo-actifs et leurs mélanges dans diverses conditions de traitement.

Dicétopyrrolopyrrole semi-cristallin et quaterthiophène (DPPBT) sur la base faible polymère conjugué à bande est utilisé en tant que matériau modèle donneur, et (6,6) -phényl-C71 butyric ester méthylique d' acide (PC 71 BM) est utilisé comme accepteur électronique. 18, 19 Il est montré dans les études précédentes que DPPBT: PC 71 BM mélanges forment grande séparation de phase de taille lors de l' utilisation du chloroforme comme solvant. Un mélange chloroforme: 1,2-dichlorobenzène mélange de solvant peut réduire la taille de la séparation des phases et ainsi augmenter les performances du dispositif. La formation de la morphologie pendant le processus de séchage du solvant est étudiée in situ par diffraction broutage incidence des rayons X et la diffusion. Dispositifs à cellules solaires fabriquées en utilisant la mini-slot die coucheuse a montré une PCE moyenne de 5,2% en utilisant les meilleures conditions de mélanges de solvants, 20 qui est similaire à spin-coating dispositifs fabriqués. La coucheuse mini-filière à fente ouvre une nouvelle voie pour fabriquer des dispositifs de cellules solaires dans un laboratoire de recherche qui imite un processus industriel, de combler une lacune dans la prédiction de la viabilité de ces matériaux dans un rel industrielparamètre perti-.

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Protocol

Préparation Mélange d'encre 1. Photon-actif

  1. Peser 10 mg de polymère DPPBT et 10 mg de PC 71 matériau BM (structures chimiques représentées sur la figure 1). Mélangez dans un flacon de 4 ml.
  2. Ajouter 1,5 ml de chloroforme et 75 ul de 1,2-dichlorobenzène dans le mélange.
  3. Mettez une petite barre d'agitation dans le flacon, fermer le flacon avec un polytétrafluoroéthylène (PTFE) bouchon, et transférer le flacon sur une plaque chaude. Agiter à ~ 400 rpm, et de la chaleur à ~ 50 ° C pendant la nuit avant de l'utiliser.

2. ITO et Wafer Substrat Nettoyage et préparation

  1. Charge de pré-modelée oxyde d'indium - étain (ITO) substrat en verre (1 pouce sur 3 pouces, avec la moitié éliminée ITO) ou plaquette de silicium dans une armoire de nettoyage de Téflon et de mettre le support dans un récipient en verre (figure 2). Ajouter une solution diluée de détergent (300 ml, solution à 1% de détergent universel) dans le récipient en verre et mettre le récipient en verre dans sonicateur et de traitement par ultrasons pendant 15 min.
  2. Retirez le détergent et rincer le verre ITO avec désionisée (DI) deux ou trois fois. Puis ajouter 300 ml d'eau DI dans le récipient, et mettre le récipient en verre en sonicateur pendant 15 minutes.
  3. Éliminer l'eau du récipient. Ajouter 300 ml d'acétone dans le récipient, et sonication pendant 15 min.
  4. Retirer l'acétone. Ajouter 300 ml de 2-isopranol dans le récipient en verre, puis sonication pendant 15 min.
  5. Déplacer le nettoyage débrochage dans un four. Réglez la température du four à 100 ° C, et attendez 3-5 heures jusqu'à ce que le verre ITO est complètement séché.
  6. Sortez des substrats nettoyés. Transférez dans un nettoyeur à plasma nettoyant UV-ozone ou l'oxygène. Utilisez UV-ozone ou de plasma à haute puissance pour les nettoyer pour ~ 15 min selon le protocole du fabricant.
  7. Mettez le substrat nettoyé sur un spin-coater, ajouter 150 ul de poly (3,4-éthylènedioxythiophène) polystyrène sulfonate (PEDOT: PSS) solution sur le substrat nettoyé, et le manteau de rotation à 3000 tpm pour enrobera ~ 30 nm d'épaisseur PEDOT: PSS (PEDOT: PSS 4083) film mince sur soit le verre ITO ou de plaquettes de silicium.
  8. Décollage de spin substrats recouverts. Transférer les substrats revêtus frais sur une plaque chauffante et recuit à 150 ° C pendant 15 min.

3. Impression de la couche active

  1. substrat de charge. Mettez le PEDOT: substrat ITO PSS enduit sur la plaque de base de mini-filière à fente coucheuse. Mettre en marche la pompe à vide qui est reliée au mandrin vide de la coucheuse fente de la filière pour maintenir le substrat serré. (Voir la figure 3 pour localiser les différents composants.)
  2. Ajustez la position du substrat pour le mettre juste en dessous de la tête d'impression. Cela peut être fait en utilisant le manipulateur linéaire sous la plaque de substrat.
  3. Ajustez la tête d'inclinaison en utilisant le 2-D basculement manipulateur qui tient la tête d'impression. Assurez-vous que la tête se dresse verticalement au-dessus du substrat chargé. Notez que dans ce processus, la tête d'impression peut être abaissée à proximité du SUBSTRAte. Utilisez l'écart entre la tête d'impression et le substrat pour montrer si la tête est inclinée ou non. Ce sera extrêmement utile quand un substrat de plaquette est utilisée, car une image mineure de la tête d'impression se montrer et il sera beaucoup plus facile de vérifier l'inclinaison.
  4. Tune la distance de tête-à-substrat à zéro. Le moteur vertical est couplé à un capteur de force. Lorsque la tête d'impression est flottante, une lecture de force constante sera obtenue (à partir du poids de la tête d'impression et de basculement ensembles manipulateurs). Une fois que la tête de l'imprimante touche substrat, la lecture permettra de réduire, marquant la position zéro. Voir Figure 4 pour le réglage de la distance de l' étape. Utilisez le mode de jogging dans le réglage de la distance.
    NOTE: La plaque manipulateur de translation verticale est reliée à sa base en utilisant des ressorts et la constante du ressort varie légèrement. Ainsi, les petits changements dans capteur de force sont inévitables lors de l'expérience.
  5. Définissez une valeur en tête-à-substrat pour exécuter l'expérience. Dans cette expérience, définissez lala tête au substrat écart à 100 um.
  6. Régler le moteur d'étage de translation linéaire qui sera utilisée pour l'impression. Trouver le point de départ et le point final. Notez ces valeurs. La distance Voyage du moteur linéaire est de 100 mm. Ici, réglez 10 mm position du moteur comme point de départ et de 80 mm position du moteur comme point final.
  7. Régler la vitesse d'impression de 10 mm / s en utilisant le moteur de commande d' interface logicielle (figure 4b). Réglez la vitesse d'accélération du moteur à 100 m / sec.
    1. Si le moteur ne fonctionne pas correctement ou le logiciel a une erreur, s'il vous plaît redémarrer le logiciel et cliquez sur "activer" puis "maison" dans l'interface du logiciel. Notez que pendant le processus d'impression, la tête d'impression reste fixe et le substrat se déplace pour distribuer la solution et imiter le processus d'impression industrielle.
  8. Charge DPPBT: Solution PCBM (température ambiante) dans une seringue de 1 ml et monter la seringue sur la pompe à seringue qui est reliée à la fentemourir imprimante. Définissez les paramètres d'impression dans le contrôle de logiciels (diamètre de la seringue et la vitesse d'alimentation de la solution, 0,3 ml / min dans ce cas).
  9. Commencez l'expérience d'impression.
    1. Déplacer le substrat au point de départ en tapant la position du point de départ dans la fenêtre de position dans le contrôle logiciel. Voir la figure 4c pour plus de détails.
    2. Commencer à pomper la solution dans la tête fente de la filière en cliquant sur le démarrage dans le logiciel de la pompe à seringue. Vous pouvez également actionner manuellement la pompe seringue. Pour chaque revêtement, environ ~ 100 pi de solution seront utilisés. Normalement, utiliser 300 solution ul pour la première impression de temps et utiliser ~ 100 solution ul pour l'impression répétée.
    3. démarrer rapidement le moteur de translation lorsque la solution commence à sortir de la tête d'impression, et le substrat se déplace vers la position finale. S'il vous plaît noter que ceci est une étape critique. Précharger le moteur de translation se terminant la position dans la fenêtre de position, puis cliquez sur Entrée pour démarrer le moteur movestion.
    4. Arrêter la pompe de seringue et soulever la tête d'impression en utilisant le moteur vertical. Tournez le vide hors tension et prendre le substrat de la plaque de base. A noter que le volume mort pour cette tête d'impression est de 250 ul, et remplissant ainsi la première fois, prend plus de 250 pi de solution.
    5. Charger le support imprimé dans un four à vide pendant 5/3 heure pour éliminer le solvant résiduel.
    6. Mettez une boîte de Pétri sous la tête d'impression. Pompe 10 ml de chloroforme dans la tête d'impression pour nettoyer la tête. Recueillir la solution de chloroforme contaminée par la boîte de Petri. Utilisez des cotons-tiges pour nettoyer la tête d'impression tout en pompant la solution de nettoyage. Après chaque essai de revêtement, nettoyez la tête d'impression, surtout quand une solution différente est utilisée.
      NOTE: Le DPPBT: solution de PCBM montre une couleur vert foncé. Lorsque le nettoyage est terminé, aucune couleur ne peut être vu à partir du solvant de chloroforme.

4. Cathode Electrode Deposition

  1. Chargez lela couche active sur le substrat revêtu des masques d'ombre (figure 5) et monter le masque dans la chambre d'évaporation.
  2. Mettez deux bateaux d'évaporation thermique entre les plots d'électrodes (Figure 6a). Chargez un bateau avec du sel LiF (couvrant à peine le bateau, ~ 0,2 g) et un bateau avec l'aluminium métallique (4 pastilles).
  3. Fermez la chambre d'évaporation et de la pompe en bas de la chambre d'évaporation à environ 2 x 10 -6 Torr.
  4. Réglez la chambre pour déposer 1 nm de LiF suivie par 100 nm d'aluminium. Dans le cas présent, utiliser 20% de la puissance pour le dépôt LiF et utiliser 26% de puissance pour Al dépôt. Représenté sur la figure 6b est l'interface de commande de l' évaporateur du système utilisé dans cette étude.
  5. Arrêtez les pompes d'évacuation et de remplissage de la chambre avec de l'azote gazeux. Lorsque la pression revient à la pression atmosphérique, prendre les substrats out.

5. Mesure du rendement photovoltaïque

  1. Préparer une lame de verre qui est la moitié de lalargeur du verre ITO qui est utilisé dans la fabrication de dispositifs. Effectuer cette étape dans une boîte à gants. Coller la colle époxy sur un côté du substrat de verre, et couvrir la zone de l' appareil en utilisant les lames de verre recouvertes d' époxy de colle (voir la figure 11 pour le dispositif de l' échantillon). Lorsque l'époxy a durci, le dispositif sera entièrement scellé.
  2. Lancer la lampe de simulation solaire et réglée sur AM 1,5 rayonnement avec 100 mW / cm 2. Stabiliser la lampe pendant environ 15 minutes avant la mesure. La figure 7 est le système de mesure de PV utilisé dans cette étude.
  3. Monter l'appareil sous le simulateur solaire à la distance de l'instrument proposé. Connecter l'anode et la cathode dans le circuit de mesure. Enregistrement d'une courbe courant-tension à l'aide d'un multimètre électrique en utilisant le protocole du fabricant.
  4. Déterminer la performance du dispositif comme suit:
    J sc: courant de court - circuit, le courant maximal qu'un dispositif de cellule solaire peut fournir;
    V oc FF: facteur de remplissage, la superficie maximale en courbe IV divisé par J sc * V oc;
    PCE: puissance rendement de conversion, J sc * V * oc FF / (100mW / cm 2).

6. Synchrotron de mesure de rayons X

  1. Mettre en place une boîte d'hélium pour supprimer la diffusion de l'air dans la mesure X-ray. Monter le mini-filière à fente coucheuse dans la zone de l'hélium. Montré dans la figure 8 est le montage expérimental des expériences de diffraction incidence rasante des rayons X en utilisant une boîte d'hélium à la source lumineuse avancée.
  2. Monter un interféromètre optique sur la machine d'impression pour surveiller le changement d'épaisseur au-dessus de l'évaporation du solvant. Dans cette expérience, utilisez un modèle UVX (par exemple, Filmetrix F20). Les matériaux qui sont utilisés dans cette expérience ont une forte absorption de la lumière 300-900 nm de longueur d'onde.
    1. Utiliser une lampe source de interféromètre optique ièmeà absorption évite matériel. Utiliser une lampe de longueur d'onde 1,100-1,700 nm dans cette expérience. Pré-étalonner l'instrument avant l'expérience en suivant ses procédures de fonctionnement.
  3. Mettez le PEDOT: PSS de plaquettes de substrat enduit sur support de substrat de l'imprimante et d'ajuster la position de la tête et du substrat après l'étape 3,2-3,5. Allumez la pompe à vide et assurez-vous que le substrat de plaquette colle au support de substrat étroitement.
  4. Purger la boîte de l'hélium pour éliminer l'air. On notera que la teneur en oxygène doit être inférieure à 0,3% v, qui peut être contrôlée par le capteur d'oxygène.
  5. Alignez le substrat à l'endroit où les rayons X empiète sur le substrat (la position finale dans l'impression), et régler l'angle d'incidence, 0,16 ° dans ce cas. Aligner selon le protocole faisceau en ligne.
  6. Définissez la méthode d'acquisition de rayons X temps d'exposition et les données. Ici, utiliser 2 sec comme le temps d'exposition, et suivi de 3 sec de temps de retard (pour éviter des dommages serveur de faisceau). Ainsi, chaque période d'expérimentation seraêtre de 5 sec. Effectuer une file d'attente continue de 100 répétitions; donc prendre 100 photos.
  7. Nom de l'expérience et de choisir le chemin de données pour enregistrer les fichiers expérimentaux. Montré dans la figure 9 est la ligne de lumière 7.3.3 interface utilisateur avancée Source de lumière où les paramètres mentionnés ci-dessus peuvent être facilement localisés.
  8. Déplacer le substrat à la position de départ en entrant la position de départ dans le logiciel de commande de moteur. Démarrez le volet de rayons X et le détecteur continue d'enregistrer des signaux de diffraction / diffusion.
  9. Démarrer la pompe à seringue pour alimenter la solution dans la tête d'impression. Lorsque la solution commence à éjecter de la tête d'impression (surveillé par une caméra de surveillance), démarrer rapidement le processus d'impression.
    NOTE: Lorsque la position de mesure pré-choisie est atteinte, le détecteur 2-D va capturer le signal de diffusion de la solution. L'épaisseur du film sera suivie par interféromètre. Ainsi la mince évolution de la morphologie du film sera enregistré.
  10. Soulevez l'imprimantetête et nettoyer la tête lorsque l'expérience est faite.

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Representative Results

La figure 3 est le système de revêtement de la matrice de mini-intervalle. Il se compose d'une machine d'enduction, une pompe à seringue et un boîtier de commande centrale. La machine de revêtement est l'élément essentiel qui se compose d'une tête fente de filière, une étape de translation horizontale et une étape de translation verticale. La tête fente de filière est monté sur la base d'un moteur de translation verticale grâce à un basculement manipulateur 2-D. La figure 10a montre le corps principal d'imprimante , sans montage de la tête d'impression à partir de laquelle le 2-D basculement manipulateur est mis en surbrillance. La figure 10b montre le montage de la tête d'impression sur le 2-D basculement manipulateur. Figure 10c montre une image agrandie de la tête d'impression et de la plaque de base. Un capteur de force est intégré dans l'étage de translation verticale. Dans les expériences, la phase de translation verticale est utilisée pour ajuster la distance tête-à-substrat, et le 2-D moteur d'inclinaison est utilisé pour adjust la tête soit strictement verticale. Le capteur de force est utilisé pour contrôler le poids du système de fente de la tête de filière. Une fois que la tête touche le substrat, un saut de lecture positive à une lecture négative sera observée, ce qui indique la position de la tête. La tête est déplacée jusqu'à la hauteur désirée pour donner un certain écart. Pendant l'impression, la tête fente de filière est fixe et le fond se déplace horizontales de la scène de translation. Avec liquide étant distribué de la tête fendue, un film uniforme peut être obtenu. Il convient de mentionner que les deux tête d'impression et la plaque de substrat ont affiné des systèmes de contrôle de la température. Une plage de température allant de la température ambiante à 150 ° C peut être utilisé lors de l'impression pour ce système. Figure 11a montre un substrat ITO revêtu de polymère conjugué: PCBM mélanges. Le film est tout à fait lisse visuellement. Il convient de noter que le début et la fin du film de revêtement ne sont pas toujours uniforme, en raison du ménisque formé et le séchage des bords. Si le su bstrate est assez long, ou si le substrat est revêtu d'une manière continue (comme avec une imprimante R2R), ce problème peut être résolu.

substrat fraîchement enduit (verre / ITO / PEDOT: PSS / couche active) est transférée dans un four à vide pendant une courte période et ensuite chargé dans des masques d'ombre. Le masque est chargé dans l'évaporateur pour déposer cathode couche mince. La figure 5 est un masque perforé qui est utilisé dans l'expérience. La figure 11b montre un dispositif achevé après le dépôt de la couche de cathode. La performance de l' appareil est mesurée en utilisant un simulateur solaire de moins de 100 mW / cm 2 heures 1,5 condition. Représenté sur la figure 12 est une courbe courant-tension représentative d'un mini-filière à fente dispositif enrobé. Un rendement moyen de 5,2% de conversion de puissance est obtenue pour mourir dispositifs revêtus de fente, ce qui est proche de celui obtenu par revêtement par centrifugation (~ 5,6% de PCE).

1 "> in situ des expériences de GIXD et GISAXS sont des méthodes utiles pour suivre l'évolution de la morphologie de l'encre BHJ imprimée. La cristallisation de polymère peut être suivi par l'expérience et séparation des phases GIXD peuvent être suivis par GISAXS. Dans les expériences, la mini-slot die coucheuse est monté sur un goniomètre intérieur de la boîte d'hélium (Figure 13). la connexion du câble sera jumelé et donc, les instruments peut être utilisé à l' extérieur de la cage synchrotron. Montré dans la figure 14 est le centre d'exploitation à la ligne de faisceau de rayons X . l'ordinateur en haut à gauche contrôle les paramètres de lignes de lumière, l'ordinateur central est l'interface de fonctionnement de ligne de lumière qui contrôle l'obturateur de rayons X et les données des dossiers; l'ordinateur de gauche est la fenêtre analogique pour deux caméras de surveillance à l'intérieur du clapier, on met l'accent sur la position de l'échantillon et on se concentre sur la fente de tête de filière fente et peut ainsi surveiller l'état de solution, l'ordinateur fonctionne en bas à gauche cerf translation horizontale et verticalelogiciel de moteur e et le logiciel seringue de commande de la pompe. Montré dans la figure 15 est un exemple typique situ incidence rasante diffusion aux petits angles expérience pendant le séchage solvant. L'évolution temporelle est de couleur. Dans la phase antérieure de séchage (un excès de solvant existait), une courbe de diffusion rouge est vu, et se marie bien mélangé. Un pic de diffusion progressivement évolué vers 0,02 A -1, indiquant une ~ 60 nm de séparation de phases. Cette information, lorsqu'elle est associée à des résultats de GIXD in situ, nous dira la cinétique de cristallisation du polymère et de la séparation de phase.

Figure 1
Figure 1: Structure chimique de DPPBT polymère conjugué et PC de fullerène chimiquement modifiées 71 BM utilisé dans cette étude. Cliquez s'il vous plaitici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 2
Figure 2: 1/3 retiré des substrats ITO et support Teflon utilisés dans le nettoyage de verre ITO. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 3
Figure 3: (a) le corps principal de Mini-slot die coucheuse. La tête d'impression est montée sur le manipulateur de basculement. Les deux boutons au-dessus de la tête fente de la filière sont utilisés pour tout basculement de la tête d'impression. Un moteur pas à pas de forme ronde est monté verticalement pour assurer un mouvement vertical de la tête d'impression. L'étage de translation horizontale principale est montée sur la carte mère pour fournir linéairemouvement pour enrober le film. Les deux la tête et le substrat d'impression de base peut être chauffée. (B) Le boîtier de commande avec pompe de seringue monté sur le dessus. Le cube de gauche est le contrôleur pour le moteur vertical; le cube du milieu est le contrôleur de moteur horizontal; droite trois panneaux sont un régulateur de température pour la tête (en haut), régulateur de température pour la base (au milieu), et capteur de force. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 4
Figure 4: Mini-filière à fente moteur de l' imprimante contrôle des interfaces logicielles. (A) une interface logicielle principale: le moteur pas à pas vertical logiciel de commande est sur le logiciel du moteur de translation linéaire est supérieure et dans le fond; (B) réglage de la vitesse et l' accélérationinterface pour les deux moteurs de translation verticale et horizontale réglage; (C) position de réglage pour le moteur de translation horizontale. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 5
Figure 5: masque d'ombre utilisé dans le dépôt de la couche de cathode. substrats de périphériques seront chargés dans la zone du masque de coupe. Le masque est monté sur la chambre d'évaporation, et l'électrode métallique est déposée par les zones rectangulaires de taille. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 6 <br /> Figure 6: (a) de l' évaporateur et des plots d'électrode mise en page. En fonctionnement, le tantale bateau métallique sera monté entre-deux plots d'électrodes. Electrode métallique sera chargé dans le bateau; et le courant électrique va chauffer le bateau thermiquement évaporer électrode métallique. Interface de commande (b) Évaporateur. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 7
Figure 7: système de mesure standard photovoltaïque. (A) simulateur solaire; (B) du contrôleur de simulateur solaire; (C) du contrôleur de flux de simulateur solaire. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande cette figure.

Figure 8
Figure 8: Pâturage des expériences de diffraction incidence des rayons X en utilisant la boîte de l' hélium. La boîte de l'hélium est utilisé pour générer une atmosphère expérimentale qui a moins de diffusion de l'air. Fente imprimante de matrice est installé à l'intérieur de la boîte d'hélium pendant l'expérience. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 9
Figure 9: L'interface du logiciel de commande synchrotron de ligne de lumière. Cette interface contrôle l'expérience de ligne de lumière. Le panneau de gauche est utilisé pour aligner des échantillons; le panneau de droite contrôle le X-ray temps d'exposition, le nom de l'expérience, et affiche le signal de diffusion. : //ecsource.jove.com/files/ftp_upload/53710/53710fig9large.jpg "Target =" _ blank "> S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 10
Figure 10: de grandes parties Mini-fente de l' imprimante de la filière élargie. (A) Le corps principal de la coucheuse fente de la filière. Un moteur vertical est couplé à un capteur de force de cellule de charge et intégrée sur un manipulateur vertical. Un basculement 2-D manipulateur est monté sur le manipulateur vertical. (B) La tête d'impression qui est monté sur le 2-D basculement manipulateur. (C) Zoom dans l' image de la tête d'impression. La tête est très proche de la plaque de base à ce stade. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

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Figure 11: Photon couche active substrat revêtu ( à gauche) et les dispositifs terminés après le dépôt de la couche de cathode ( à droite). S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 12
Figure 12: courbe courant-tension de la fente mourir dispositif revêtu. courant de court-circuit, tension en circuit ouvert peut être lu à partir des intersections courbe axe. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 13
Figure 13: strong> Mini-filière à fente coucheuse chargé à l' intérieur boîte d'hélium dans la station de synchrotron. (A) Vue de face; (B) une vue latérale. Interféromètre optique est monté pour surveiller l'épaisseur du film revêtu. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 14
Figure 14: Système d'expérimentation de revêtement slot mini matrice in situ Contrôle de la source lumineuse avancée Beamline 7.3.3. Chaque interface est marquée dans la figure. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

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Figure 15: GISAXS typique évolution de la morphologie. d'ajustement de courbe est nécessaire pour obtenir les informations de séparation de phases. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

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Discussion

La méthode décrite ici vise à développer un procédé de préparation du film qui peut être facilement mis à l'échelle de la production industrielle. l'impression de film mince et synchrotron morphologie de caractérisation sont les étapes les plus critiques avec le protocole. Dans la recherche laboratoire de VPO échelle précédente, le revêtement par centrifugation est utilisé comme la principale méthode pour fabriquer des dispositifs à couches minces. Cependant, ce procédé utilise la force centrifuge élevée pour étaler la solution BHJ, ce qui est tout à fait différente de la fabrication industrielle à base de roll-to-roll. Ainsi, la connaissance et l'expérience obtenue à partir de l'étude de revêtement par centrifugation ne peuvent être directement transférés à grande surface la fabrication du dispositif. Le dispositif de revêtement de la filière mini-fente présentée dans les études en cours est semblable au dispositif de revêtement de film industriel et sera donc idéal pour les essais pré-industrielle. Paramètres qui contrôlent la morphologie du film, qui correspond à la performance de l'appareil, doivent être d'une nouvelle enquête. Le coût du matériau en mini-slot revêtement de la matrice est minime et doncgrande quantité de conditions de fabrication de l'appareil peut être optimisée.

Une mesure de rayonnement synchrotron est utilisé pour déterminer l'évolution de la morphologie des hétérojonctions en vrac (BHJ) solaires couches minces de cellules. Nous réalisons la diffraction incidence rasante des rayons X (GIXD) et incidence rasante diffusion des rayons X (GISAXS) de suivre l'évolution de la structure. Il est idéal pour exécuter ces deux expériences ensemble. Si pas possible, elles peuvent être faites séparément. La seule différence entre GIXD et GISAXS est la distance échantillon-détecteur, et donc nous ne décrivent que les détails de l'expérience une fois. PEDOT: PSS tranches de silicium revêtues seront utilisées comme revêtement de substrats. Le procédé d'impression est le même que le procédé de fabrication du dispositif. Il est essentiel que la position de l'imprimante sur le substrat est bien calculé pour vous assurer que la plage de q droit peut être atteint et le point substrat de départ et le point final peut être exposé à des rayons X. A noter également que dans l'expérience GIXD, l'dista échantillon-détecteurnce est petit, et le détecteur est monté tout près de la zone de l'hélium. Dans l'expérience de GISAXS, un tube de vol est nécessaire pour réduire la diffusion de l'air puisque la distance échantillon-détecteur est assez grand (~ 4 m dans ce cadre de l'expérience). S'il vous plaît noter que les deux GIXD et les mesures de GISAXS sont faites à la position de fin. Lorsque le processus d'impression a atteint la position de fin, le moteur de translation linéaire arrête, et les données diffusion / diffraction des rayons X en continu est générée. A noter que la distance Voyage pour la phase de translation linéaire est de 10 cm. À la position de départ, le substrat est loin du faisceau de rayons X, et seulement le signal d'émission d'arrière-plan est enregistrée dans le détecteur de rayons X en 2-D. Lorsque le substrat se déplace vers la position de mesure, il va changer d'une transmission de diffusion pour la diffusion de l'incidence rasante, et cette transition peut être utilisé comme marqueur de début de l'expérience.

La petite taille de mini-filière à fente coucheuse est bien adapté pour les r utilisation en laboratoire echerche. La consommation de matériaux photo-actifs est assez faible. Normalement, 10 mg de polymère conjugué peut faire 1-2 ml de solution. Le volume mort dans la tête d'impression est d'environ 0,25 ml. Dans chaque essai de couchage, ~ 0,1 ml est utilisé. Ainsi, cette nouvelle méthode est efficace avec l'utilisation du matériel. Normalement, 100-200 mg de matériaux sera suffisant pour cribler une grande matrice de conditions de traitement, tels que le rapport de mélange, le choix du solvant, recuit thermique, ce qui rend mini-filière à fente le revêtement d'une méthode efficace dans la nouvelle sélection des matériaux. Pendant l'expérience d'impression, assurez-vous que la pompe de la seringue ne dépasse pas sa limite. Nettoyez la tête correctement pour éliminer l'accumulation solide à l'intérieur des fentes de la tête; sinon, il se bloquera le système. Lors du passage d'une solution à l'autre, effectuer un nettoyage complet; sinon la contamination croisée peut se produire. Le polymère de photons actifs montre sa couleur distincte, qui peut être utilisée comme indicateur que si la tête est entièrement nettoyé ou non.

ve_content "> La filière coucheuse mini-slot peut être utilisé dans différents domaines liés à mince traitement de film. Dans le traitement du dispositif de VPO, de nouveaux paramètres peuvent être inclus. Par exemple, la température fente de tête de filière peut être contrôlée, et donc un revêtement de solution chaude . peut être atteint le substrat peut également être chauffé;.. ainsi le taux d'évaporation du solvant peut être affiné des vitesses de revêtement différentes peuvent également être utilisés pour faire varier la vitesse de cisaillement pour contrôler la morphologie Dans les expériences actuelles, seule l'expérience la plus simple en utilisant un substrat dur est démontrée. substrats conducteurs en plastique peuvent également être utilisés pour fabriquer des dispositifs flexibles. par rapport à spin coating, mini-slot revêtement de la matrice fournit un traitement qui est similaire à la fabrication industrielle, ce qui est essentiel pour aider l'optimisation de l'industrialisation de la technique de VPO One. limitation majeure de cette technique est que la fabrication de l'appareil ne peut pas être continu, qui aurait besoin d'une machine d'enduction roll-to-roll. Cependant, le revêtement de la filière mini-fente peut rapidementoptimiser les conditions de traitement et de dépistage rapide du matériau. Ces observations fournissent des indications utiles pour la production roll-to-roll grand panneau.

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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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