La stampa Fabbricazione di massa eterogiunzione celle solari e
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

Qui, vi presentiamo un protocollo per fabbricare celle solari a film sottile organico utilizzando uno stampo dispositivo a induzione mini slot e le relative caratterizzazioni struttura in linea con le tecniche di scattering di sincrotrone.

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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

fotovoltaico organico (OPV) sono una tecnologia promettente per la produzione di energie rinnovabili di costo-efficacia nel prossimo futuro. 1, 2, 3 sforzi tremendi sono stati fatti per sviluppare polimeri foto-attivi e fabbricare dispositivi ad alta efficienza. Fino ad oggi, singoli dispositivi strati OPV hanno raggiunto una efficienza di conversione di potenza> 10% (PCE). Queste efficienze sono stati ottenuti sui dispositivi su scala di laboratorio utilizzando spin coating per generare il film, e la traduzione di dispositivi su scala più grande formato è stata carica di una significativa riduzione del PCE. 4, 5 Nell'industria, roll-to-roll rivestimento della pellicola sottile (R2R) basato viene utilizzato per generare fotoni film sottili attivi su substrati conduttivi, che è abbastanza differente da processi tipici scala di laboratorio, in particolare nella velocità di rimozione del solvente. Questo è fondamentale in quanto le morfologie sono kinetically intrappolati, derivante dalla sinergia tra più processi cinetici, tra cui la separazione di fase, l'ordinazione, l'orientamento e l'evaporazione del solvente. 6, 7 Questa morfologia cineticamente intrappolato, però, determina in gran parte le prestazioni dei dispositivi a celle solari. Così, la comprensione dello sviluppo della morfologia durante il processo di rivestimento è di grande importanza per manipolare la morfologia in modo da ottimizzare le prestazioni.

L'ottimizzazione della morfologia richiede la comprensione della cinetica associata con l'ordinamento del polimero buco conduttore in soluzione come solvente viene rimosso; 8, 9 quantificare le interazioni del polimero con il conduttore di elettroni fullerene based; 10, 11, 12 comprensione dei ruoli di additivi nella definizione morfologia; 13, 14, 15 e bilanciare i tassi relativi di evaporazione del solvente (s) e additivi. 16 E 'stata una sfida per caratterizzare l'evoluzione della morfologia quantitativamente nel livello attivo in un ambiente di interesse industriale. Il processo di roll-to-roll è stato studiato per la fabbricazione di dispositivi di grandi dimensioni OPV. 4, 17 Tuttavia, questi studi sono stati condotti in un ambiente di produzione in cui vengono utilizzati grandi quantità di materiali, limitando efficacemente studi a polimeri disponibili in commercio.

In questo lavoro, la scheda tecnica di fabbricazione di dispositivi OPV utilizzando un sistema di rivestimento stampo mini slot sono dimostrati. parametri di rivestimento quali cinetica pellicola di essiccazione e il controllo dello spessore del film sono applicabili ai processi su larga scala, rendendo questo studio direttamente correlate a fa l'industrialubrificazioni. Inoltre, una piccola quantità di materiale è utilizzato nella mini esperimento rivestimento fessura stampo, rendendo questa elaborazione applica ai nuovi materiali sintetici. Nella progettazione, questo mini slot die coater può essere montato su stazioni finali sincrotrone, e pascolo pertanto incidenza piccola X-ray scattering angolo (GISAXS) e diffrazione a raggi X (GIXD) può essere utilizzato per consentire studi in tempo reale sull'evoluzione della morfologia su una vasta gamma di lunghezza scale in diverse fasi del processo di essiccazione film sotto una varietà di condizioni di lavorazione. Le informazioni ottenute in questi studi possono essere trasferiti direttamente ad un ambiente di produzione industriale. La piccola quantità di materiale utilizzato consente un rapido screening di un gran numero di materiali foto-attivi e loro miscele in varie condizioni di lavorazione.

Il diketopyrrolopyrrole semi-cristallino e quaterthiophene (DPPBT) basato banda bassa polimero coniugato viene utilizzato come materiale modello di donatori, e (6,6) fenil C71-butyric estere metilico (PC 71 BM) viene utilizzato come accettore elettronico. 18, 19 è mostrato in studi precedenti che DPPBT: PC 71 BM miscele formare grandi dimensioni separazione di fase quando si utilizza il cloroformio come solvente. A cloroformio: 1,2-diclorobenzene miscela solvente può ridurre la dimensione di separazione di fase e quindi aumentare le prestazioni del dispositivo. La formazione morfologia durante il processo di essiccazione solvente è studiato in situ da pascolo diffrazione incidenza dei raggi X e dispersione. Dispositivi di celle solari fabbricati usando il dado verniciatore mini slot ha mostrato un PCE media del 5,2% con le migliori condizioni di miscela di solventi, 20 che è simile a spin-coating dispositivi fabbricati. Il dispositivo a induzione mini-slot di stampo si apre un nuovo percorso per fabbricare dispositivi di celle solari in un ambiente di laboratorio di ricerca che imita un processo industriale, colmando una lacuna nel predire la vitalità di questi materiali in un industrialmente relimpostazione Evant.

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Protocol

Preparazione Miscela Ink 1. Photon-attiva

  1. Pesare 10 mg di polimero DPPBT e 10 mg di PC 71 materiale BM (strutture chimiche mostrati nella Figura 1). Mescolare in un flaconcino da 4 ml.
  2. Aggiungere 1,5 ml di cloroformio e 75 ml di 1,2-diclorobenzene nella miscela.
  3. Mettere una piccola ancoretta nel flaconcino, chiudere la fiala con un tappo di politetrafluoroetilene (PTFE), e trasferire la fiala per un piatto caldo. Mescolare a ~ 400 rpm, e scaldare a ~ 50 ° C per una notte prima dell'uso.

2. ITO e Wafer substrato pulizia e la preparazione

  1. Carico pre-modellata indio substrato di ossido di stagno (ITO) Vetro (1 pollice da 3 pollici, con la metà rimosso ITO) o wafer di silicio in un rack pulizia Teflon e mettere il rack in un contenitore di vetro (Figura 2). Aggiungere la soluzione diluita di detergente (300 ml, 1% soluzione detergente universale) nel contenitore di vetro e mettere il contenitore di vetro in sonicatore e ultrasuoni per 15 min.
  2. Rimuovere il detersivo e risciacquare il vetro ITO con acqua deionizzata (DI) di acqua un paio di volte. Poi aggiungere acqua DI 300 ml nel contenitore, e mettere il contenitore di vetro in sonicatore per altri 15 minuti.
  3. Rimuovere l'acqua dal contenitore. Aggiungere 300 ml di acetone nel contenitore, e con ultrasuoni per 15 min.
  4. Rimuovere l'acetone. Aggiungere 300 ml 2-isopranol nel contenitore di vetro, e poi con ultrasuoni per 15 min.
  5. Spostare la pulizia cremagliera fuori in un forno. Impostare la temperatura del forno a 100 ° C, e attendere 3-5 ore finché il vetro ITO è completamente asciugato.
  6. Estrarre substrati puliti. trasferirli in un pulitore plasma pulitore UV-ozono o ossigeno. Utilizzare ad alta potenza UV-ozono o plasma per pulirli per ~ 15 minuti secondo il protocollo del produttore.
  7. Mettere il substrato pulito su uno spin-dispositivo a induzione, aggiungere 150 ml di poli (3,4-ethylenedioxythiophene) polistirene sulfonato (PEDOT PSS) soluzione sul substrato pulito, e il cappotto rotazione a 3.000 giri al cappottoun ~ 30 nm PEDOT spessore: PSS (PEDOT PSS 4083) a film sottile su wafer o il vetro ITO o al silicio.
  8. Togliere di spin rivestito substrati. Trasferire i substrati rivestiti freschi su una piastra riscaldante e ricottura a 150 ° C per 15 min.

3. Stampa Livello attivo

  1. substrato di carico. Mettere il PEDOT: substrato ITO PSS rivestito sulla piastra di base del dispositivo a induzione mini slot di morire. Accendere la pompa a vuoto collegata al mandrino vuoto del coater scanalatura dado per tenere il substrato ermeticamente. (Vedi figura 3 per individuare i componenti differenti.)
  2. Regolare la posizione di substrato per dirla proprio sotto testina di stampa. Questo può essere fatto utilizzando il manipolatore lineare sotto la piastra substrato.
  3. Regolare la testa inclinando utilizzando il ribaltamento manipolatore 2-D che tiene la testina di stampa. Assicurarsi che la testa si erge verticalmente sulla parte superiore del substrato caricato. Si noti che in questo processo, la testina di stampa può essere abbassata in prossimità del substraTE. Utilizzare il divario tra la testa di stampa e substrato per mostrare se la testa è inclinata o no. Questo sarà estremamente utile quando si usa un substrato di wafer, poiché una minore immagine della testa di stampa apparirà e sarà molto più facile controllare l'inclinazione.
  4. Tune la distanza testa-a-substrato a zero. Il motore verticale è accoppiato con un sensore di forza. Quando la testa di stampa è mobile, una lettura forza costante sarà ottenuta (dal peso della testa di stampa e inclinando assiemi manipolatore). Una volta testina di stampa tocca substrato, la lettura ridurrà, segnando la posizione zero. Vedere Figura 4 per l'impostazione del passo di distanza. Utilizzare la modalità jog nella messa a punto della distanza.
    NOTA: La piastra manipolatore traslazione verticale è collegato alla sua base con le molle e la costante della molla varia leggermente. Così piccole variazioni di sensore di forza sono inevitabili durante l'esperimento.
  5. Impostare un valore testa-a-substrato per eseguire l'esperimento. In questo esperimento, impostare ladirigersi al substrato gap a 100 micron.
  6. Regolare il motore fase traslazionale lineare che verrà utilizzato per stampare. Trovare il punto di partenza e punto finale. Registrare questi valori. La distanza corsa del motore lineare è di 100 mm. Qui, impostare 10 di posizione del motore mm come punto di partenza e la posizione 80 millimetri motore come punto finale.
  7. Impostare la velocità di stampa di 10 mm / sec utilizzando il motore di controllo interfaccia software (Figura 4b). Impostare la velocità di accelerazione del motore fino a 100 m / sec.
    1. Se il motore non funziona correttamente o il software è un errore, riavviare il software e fare clic su "Attiva" e quindi "a casa" nell'interfaccia software. Si noti che durante il processo di stampa, la testina di stampa rimane fisso e il substrato si muove per erogare la soluzione e mimare il processo di stampa industriale.
  8. Carico DPPBT: soluzione PCBM (temperatura ambiente) in 1 ml siringa e montare la siringa al pompa a siringa che è collegato allo slotdie stampante. Impostare i parametri di stampa nel controllo software (diametro siringa e velocità di alimentazione soluzione, 0,3 ml / min, in questo caso).
  9. Avviare l'esperimento di stampa.
    1. Spostare il substrato al punto di partenza digitando la posizione del punto di partenza nella finestra di posizione nel controllo software. Si veda la Figura 4c per i dettagli.
    2. Inizia per pompare soluzione in testa slot di stampo cliccando l'avvio del software pompa a siringa. In alternativa, azionare manualmente la pompa a siringa. Per ogni rivestimento, saranno utilizzati in tutto ~ 100 ml di soluzione. Normalmente, usare 300 ml soluzione per la stampa prima volta e usare ~ 100 ml soluzione per la stampa ripetuta.
    3. avviare rapidamente il motore di traslazione quando la soluzione inizia ad uscire dalla testa di stampa, e il substrato si sposta alla posizione finale. Si prega di notare che questo è un passaggio fondamentale. Precaricare il motore di traslazione posizione finale nella finestra di posizione, e premere Invio per avviare il motore movement.
    4. Arrestare la pompa a siringa e sollevare la testina di stampa utilizzando il motore verticale. Girare il vuoto fuori e prendere il substrato al largo della piastra di base. Si noti che il volume morto per questa testa di stampa è di 250 microlitri, e riempiendo la prima volta richiede più di 250 ml di soluzione.
    5. Caricare il supporto stampato in un forno a vuoto per 3-5 ore per rimuovere il solvente residuo.
    6. Mettere una capsula di Petri sotto la testina di stampa. Pompa 10 ml di cloroformio nella testa di stampa per pulire la testina. Raccogliere soluzione cloroformica contaminato con il piatto Petri. Usare tamponi di cotone per pulire la testina di stampa, mentre il pompaggio della soluzione di pulizia. Dopo ogni ciclo di rivestimento, pulire la testina di stampa, in particolare quando si usa una soluzione diversa.
      NOTA: Il DPPBT: soluzione PCBM presenta con un colore verde scuro. Quando la pulizia è completata, nessun colore può essere visto dal solvente cloroformio.

4. elettrodo catodico Deposizione

  1. caricare ilstrato attivo substrato rivestito su maschere d'ombra (Figura 5) e montare la maschera nella camera di evaporazione.
  2. Mettere due barche evaporazione termica tra i perni elettrodi (Figura 6a). Caricare una barca con LiF sale (a malapena copre la barca, ~ 0,2 g) e una barca con metallo di alluminio (4 pellet).
  3. Chiudere la camera di evaporazione e pompa lungo la camera di evaporazione a circa 2 x 10 -6 Torr.
  4. Impostare la camera di depositare 1 nm di LiF seguito da 100 nm di alluminio. Nel caso attuale, usare il potere del 20% per la deposizione LiF e usare il potere il 26% per Al deposizione. In figura 6b è l'interfaccia di controllo evaporatore del sistema utilizzato in questo studio.
  5. Smettere di pompe di evacuazione e riempire la camera con gas di azoto. Quando la pressione torna a pressione atmosferica, prendere i substrati fuori.

5. fotovoltaico Performance Measurement

  1. Preparare un vetrino che è la metà dellalarghezza del vetro ITO utilizzata nella fabbricazione del dispositivo. Effettuare questa operazione in un vano portaoggetti. Incolla colla epossidica ad un lato del substrato di vetro, e coprire l'area periferica utilizzando i vetrini rivestiti colla epossidica (vedere Figura 11 per dispositivo campione). Quando la colla è indurita, il dispositivo sarà completamente sigillato.
  2. Avviare la lampada simulazione solare e impostato su AM 1,5 radiazioni con 100 mW / cm 2. Stabilizzare la lampada per circa 15 minuti prima della misurazione. Mostrato in figura 7 è il sistema di misura PV utilizzato in questo studio.
  3. Montare il dispositivo sotto simulatore solare alla distanza dello strumento suggerito. Collegare l'anodo e il catodo al circuito di misura. Registrazione di una curva corrente-tensione con un multimetro elettrica utilizzando il protocollo del produttore.
  4. Determinare le prestazioni del dispositivo come segue:
    J sc: corrente di cortocircuito, la corrente massima che un dispositivo a celle solari in grado di fornire;
    V oc FF: fattore di riempimento, la superficie massima in curva IV diviso per J sc * V oc;
    Efficienza di conversione di potenza, J sc * V oc * FF / (100mW / cm 2): PCE.

6. sincrotrone di misura a raggi X

  1. Impostare una scatola di elio per sopprimere dispersione dell'aria nella misurazione dei raggi X. Montare il mini slot coater die nella casella di elio. In figura 8 è la configurazione dell'esperimento di esperimenti di diffrazione a raggi X ad incidenza radente utilizzando una scatola elio a avanzata sorgente luminosa.
  2. Montare un interferometro ottico sulla macchina da stampa per monitorare la variazione di spessore sopra l'evaporazione del solvente. In questo esperimento, utilizzare un modello UVX (ad esempio, Filmetrix F20). I materiali che vengono utilizzati in questo esperimento hanno un forte assorbimento di luce da 300-900 nm.
    1. Utilizzare una lampada sorgente di interferometro ottico °a evita l'assorbimento del materiale. Utilizzare una lampada lunghezza d'onda di 1,100-1,700 nm in questo esperimento. Pre-calibrare lo strumento prima dell'esperimento secondo le sue procedure operative.
  3. Mettere il PEDOT PSS substrato di wafer rivestito sul titolare substrato della stampante e regolare la posizione della testa e del substrato passo successivo 3,2-3,5. Accendere la pompa a vuoto e fare in modo che il substrato di wafer si attacca alla porta substrato ermeticamente.
  4. Eliminare la casella di elio per eliminare l'aria. Si noti che il livello di ossigeno dovrebbe essere inferiore al 0,3% v, che può essere monitorato dal sensore di ossigeno.
  5. Allineate il substrato nella posizione in cui i raggi X incide sul substrato (la posizione finale in stampa), e impostare l'angolo di incidenza, 0.16 ° in questo caso. Allineare secondo il protocollo fascio-line.
  6. Impostare il metodo di acquisizione dei raggi X tempo di esposizione e dei dati. Qui, usare 2 sec il tempo di esposizione, e seguito da 3 secondi di tempo di ritardo (per evitare danni fascio server). Così ogni periodo di esperimentoessere di 5 sec. Effettuare una coda continua di 100 ripetizioni; quindi scattare 100 immagini.
  7. Nome l'esperimento e scegliere il percorso di dati per salvare i file sperimentali. Mostrato in Figura 9 è la linea di luce 7.3.3 interfaccia utente Advanced Light Source in cui le impostazioni di cui sopra possono essere localizzati facilmente.
  8. Spostare il substrato alla posizione di partenza inserendo la posizione di partenza nel software di controllo del motore. Avviare l'otturatore di raggi X ed il rivelatore continuamente registrare segnali diffrazione / dispersione.
  9. Avviare la pompa a siringa per alimentare soluzione in testa di stampa. Quando la soluzione inizia a fuoriuscire dalla testa di stampa (monitorata da una telecamera di sorveglianza), avviare rapidamente il processo di stampa.
    NOTA: Quando viene raggiunta la posizione di misura prescelto, rivelatore 2-D catturerà il segnale dispersione dalla soluzione. Spessore del film sarà monitorato da interferometro. Così il sottile evoluzione della morfologia pellicola verrà registrato.
  10. Sollevare la stampantetesta e pulire la testa quando esperimento è fatto.

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Representative Results

Mostrato in figura 3 è il sistema di rivestimento die mini-slot. Si compone di una macchina di rivestimento, una pompa a siringa e una scatola di controllo centrale. La macchina di rivestimento è parte essenziale, che è fatto di una testa scanalatura dado, uno stadio traslazionale orizzontale, ed uno stadio di traslazione verticale. La testa scanalatura dado è montato alla base di un motore di traslazione verticale attraverso un 2-D inclinazione manipolatore. La Figura 10a mostra il corpo principale della stampante senza montare la testina di stampa da cui è evidenziato il 2-D inclinazione manipolatore. La Figura 10b mostra il montaggio della testina di stampa per il 2-D inclinazione manipolatore. Figura 10c mostra un'immagine ingrandita della testina di stampa e la piastra di base. Un sensore di forza è costruito nella fase di traslazione verticale. Negli esperimenti, la fase di traslazione verticale viene utilizzato per regolare la distanza testa-a-substrato, e il motore basculante 2-D è usato per regost la testa di essere rigorosamente verticale. Il sensore di forza viene utilizzato per monitorare il peso del sistema di fessura filiera. Una volta che la testa tocca il substrato, si osserverà un salto dalla lettura positiva ad una lettura negativa, che indica la posizione della testa. La testa viene spostata fino all'altezza desiderata per dare una certa distanza. Durante la stampa, il capo di slot dado è la parte inferiore si sposta fase di traslazione orizzontale fissa e. Con liquido che viene erogato dalla fessura testa, una pellicola uniforme può essere ottenuto. Va ricordato che sia la testina di stampa e la piastra di supporto hanno affinato i sistemi di controllo della temperatura. Un intervallo di temperatura dalla temperatura ambiente a 150 ° C può essere utilizzato durante la stampa per questo sistema. Figura 11a mostra un substrato ITO rivestito con polimero coniugato: PCBM miscele. Il film è abbastanza liscia visivamente. Va notato che l'inizio e la fine della pellicola rivestita non è sempre uniforme, a causa del menisco costituito e l'asciugatura dai bordi. Se la su bstrate è sufficiente o se il substrato viene rivestito in modo continuo (come con una stampante R2R), questo problema può essere risolto.

substrato appena rivestito (vetro / ITO / PEDOT PSS / livello attivo) viene trasferito in un forno sotto vuoto in un breve periodo e poi caricato in maschere d'ombra. La maschera viene caricato in evaporatore a depositare catodo strato sottile. Mostrato in figura 5 è una maschera d'ombra che viene utilizzato nell'esperimento. La Figura 11b mostra un dispositivo completata dopo la deposizione strato catodico. Le prestazioni del dispositivo è misurata con un simulatore solare inferiore a 100 mW / cm 2 AM 1.5 condizione. In figura 12 è una curva rappresentativa corrente-tensione di un mini-slot di morire dispositivo rivestito. Un rendimento medio di conversione di potenza del 5,2% si ottiene per Die dispositivi rivestiti di slot, che è vicino a quello ottenuto con spin coating (~ 5,6% PCE).

1 "> in situ esperimenti GIXD e GISAXS sono metodi utili per seguire l'evoluzione della morfologia dell'inchiostro BHJ stampata. La cristallizzazione polimero può essere rintracciato dall'esperimento e fase di separazione GIXD possono essere monitorati da GISAXS. Negli esperimenti, il mini slot die coater è montato su un goniometro all'interno della scatola di elio (Figura 13). il collegamento del cavo sarà accoppiato e quindi, gli strumenti può essere azionato dall'esterno della gabbia sincrotrone. in Figura 14 è la centrale operativa alla linea di luce a raggi X . il computer in alto a sinistra controlla i parametri linea di luce, il computer centrale è l'interfaccia operativa linea di luce che controlla l'otturatore di raggi X e registra i dati, il computer sinistra è la finestra analogica per due videosorveglianza all'interno della gabbia, si concentra sulla posizione del campione e ci si concentra sulla testa fenditura fessura filiera e quindi in grado di monitorare lo stato di soluzione, il computer in basso a sinistra corre cervo traslazione orizzontale e verticaleil software del motore di posta e software di controllo pompa a siringa. Mostrato in figura 15 è un tipico in situ incidenza radente piccolo angolo di diffusione esperimento durante l'essiccazione del solvente. L'evoluzione temporale è un colore. Nella fase precedente di asciugatura (un eccesso di solvente esisteva), una curva di dispersione rosso è visto, e si fonde mescolato bene. Un picco dispersione progressivamente sviluppato intorno 0,02 A -1, che indica un ~ 60 nm di separazione di fase. Queste informazioni, se accoppiato con risultati in situ GIXD, ci dirà la cinetica di cristallizzazione dei polimeri e separazione di fase.

Figura 1
Figura 1: Struttura chimica di coniugato DPPBT polimero e PC fullerene modificati chimicamente 71 BM usato in questo studio. Si prega di fare clicqui per vedere una versione più grande di questa figura.

figura 2
Figura 2: 1/3 rimosso substrati Ito e cremagliera Teflon utilizzati nella pulizia del vetro ITO. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 3
Figura 3: (a) il corpo principale del Mini slot die coater. La testina di stampa è montato sul manipolatore ribaltamento. Le due manopole sopra la testa fessura stampo vengono usati per ribaltando della testa di stampa. Un motore passo-passo di forma rotonda è montato verticalmente per fornire il movimento verticale della testa di stampa. La fase di traslazione orizzontale principale è montato sullo zoccolo per fornire linearemotion per rivestire il film. Sia la testa e il substrato di base la stampa può essere riscaldata. (B) scatola di controllo con pompa a siringa montato sulla parte superiore. Il cubo sinistra è il controllore del motore verticale; il cubo centrale è il controllore del motore orizzontale; destra tre pannelli sono regolatore di temperatura per la testa (in alto), regolatore di temperatura per la base (centro) e sensore di forza. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 4
Figura 4: mini-slot di morire motore della stampante controllo interfacce software. (A) interfaccia software principale: il motore passo-passo verticale software di controllo è il software del motore di traslazione superiore e lineare è sul fondo; (B) livello di velocità e accelerazioneImpostazione interfaccia sia per il motore di traslazione verticale e orizzontale; (C) posizione di impostazione per il motore di traslazione orizzontale. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 5
Figura 5: maschera Utilizzato in deposizione strato catodico. substrati del dispositivo verranno caricati nella zona di taglio della maschera. La maschera sarà montato sulla camera di evaporazione, e elettrodo metallico sarà depositato attraverso le aree rettangolo taglio. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 6 <br /> Figura 6: (a) evaporatore e la layout borchie elettrodi. Nel funzionamento, tantalio barca metallo sarà montato in-tra borchie elettrodi. Elettrodo metallico sarà caricato in barca; e la corrente elettrica riscalda la barca termicamente evaporare metallo dell'elettrodo. Interfaccia di controllo (b) evaporatore. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 7
Figura 7: sistema di misurazione fotovoltaico standard. (A) simulatore solare; (B) del controller simulatore solare; (C) regolatore di flusso simulatore solare. Clicca qui per vedere una versione più grande questa figura.

Figura 8
Figura 8: Pascolo esperimenti di diffrazione incidenza dei raggi X utilizzando scatola di elio. La scatola di elio viene utilizzato per generare un ambiente sperimentale che ha meno dispersione dell'aria. stampante stampo slot è installata all'interno della scatola di elio durante l'esperimento. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 9
Figura 9: L'interfaccia del software di controllo di sincrotrone linea di luce. Questa interfaccia controlla l'esperimento linea di luce. Il pannello di sinistra viene utilizzato per allineare campioni; il pannello di destra controlla la radiografia tempo di esposizione, nome dell'esperimento, e visualizza il segnale di dispersione. : //ecsource.jove.com/files/ftp_upload/53710/53710fig9large.jpg "Target =" _ blank "> Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 10
Figura 10: stampante die Mini slot parti principali ingrandite. (A) del corpo principale del dispositivo a induzione fessura stampo. Un motore verticale è accoppiato con un sensore di forza cella di carico ed integrato su un manipolatore verticale. Un ribaltamento manipolatore 2-D è montato sul manipolatore verticale. (B) La testina di stampa che è montato sul 2-D inclinazione manipolatore. (C) Zoom in foto di testina di stampa. La testa è molto vicino alla piastra di base, a questo punto. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

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Figura 11: Photon livello attivo substrato rivestito (a sinistra) e dispositivi completati dopo la deposizione strato catodico (a destra). Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 12
Figura 12: Curva corrente-tensione di slot di morire dispositivo rivestito. corrente di corto circuito, tensione a circuito aperto può essere letta dalle intercettazioni curva di assi. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 13
Figura 13: strong> Mini slot die coater caricato all'interno della scatola di elio nella stazione di sincrotrone. (A) Vista frontale; (B) vista laterale. interferometro ottico è montato per controllare lo spessore della pellicola rivestita. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 14
Figura 14: sistema di in-situ slot mini stampo esperimento rivestimento Controllo in Advanced Light Source Beamline 7.3.3. Ogni interfaccia è etichettato in figura. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

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Figura 15: Tipico GISAXS morfologia evoluzione. raccordo Curve è necessario ottenere le informazioni di separazioni di fase. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

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Discussion

Il metodo qui descritto si concentra sullo sviluppo di un metodo di preparazione del film che può essere facilmente trasformato in produzione industriale. stampa a film sottile e la caratterizzazione di sincrotrone morfologia sono i passaggi più critici con il protocollo. In precedenti ricerche di laboratorio in scala OPV, spin coating viene utilizzato come metodo dominante per fabbricare dispositivi a film sottile. Tuttavia, questo processo utilizza alta forza centrifuga a diffondersi soluzione BHJ, che è molto diverso da industriale basato fabbricazione roll-to-roll. Così la conoscenza e l'esperienza acquisita dallo studio spin coating non possono essere trasferiti direttamente al grande area fabbricazione del dispositivo. Il dispositivo di rivestimento in stampo mini slot presentato negli studi in corso è simile al dispositivo di rivestimento della pellicola industriale e, quindi, sarà l'ideale per i test pre-industriale. I parametri che controllano la morfologia film, che corrispondono alle prestazioni del dispositivo, devono essere nuovamente. Il costo del materiale di rivestimento in pressofusione mini-slot è minima e, quindi,grande quantità di condizioni di fabbricazione di dispositivi può essere ottimizzato.

Una misurazione sincrotrone viene utilizzato per determinare l'evoluzione morfologia eterogiunzione bulk (BHJ) film sottili celle solari. Eseguiamo diffrazione di raggi X incidenza radente (GIXD) e incidenza radente dispersione di raggi X (GISAXS) per monitorare l'evoluzione della struttura. E 'ideale per eseguire questi due esperimenti insieme. Se non è possibile, essi possono essere effettuati separatamente. L'unica differenza tra GIXD e GISAXS è la distanza sample-to-rivelatore, e quindi descriviamo solo i dettagli dell'esperimento volta. PEDOT: PSS wafer di silicio rivestito saranno utilizzati come rivestimento di substrati. Il processo di stampa è uguale al processo di fabbricazione del dispositivo. È fondamentale che la posizione di stampa sul substrato è ben calcolata per assicurarsi che l'intervallo q diritto può essere raggiunta e il punto di substrato di partenza e punto finale può essere esposto ai raggi X. Si noti inoltre che l'esperimento GIXD, il campione dista-to-detectornce è piccola, e il rilevatore è montato abbastanza vicino alla scatola di elio. Nell'esperimento GISAXS, un tubo volante è necessario ridurre la dispersione dell'aria in quanto la distanza campione-to-rivelatore è abbastanza grande (~ 4 m in questo contesto esperimento). Si prega di notare che entrambi GIXD e le misurazioni vengono effettuate GISAXS alla posizione finale. Quando il processo di stampa raggiunge la posizione finale, il motore di traslazione lineare arresta, e viene generato continua a raggi X dati di scattering / diffrazione. Si noti che la distanza da percorrere per la fase di traslazione lineare è di 10 cm. Alla posizione di partenza, il substrato è lontano dal fascio di raggi X, e solo il segnale di trasmissione a sfondo viene registrato nel rivelatore di raggi X 2-D. Quando il substrato si sposta nella posizione di misura, cambierà dalla trasmissione disperdersi dispersione incidenza radente, e questa transizione può essere usato come marcatore di partenza dell'esperimento.

Le ridotte dimensioni del mini-slot di stampo coater è particolarmente adatto per R uso di laboratorio icerca. Il consumo di materiali foto-attivi è piuttosto basso. Normalmente, 10 mg di polimero coniugato può fare 1-2 ml di soluzione. Il volume morto nella testina di stampa è di circa 0,25 ml. In ogni esperimento rivestimento, ~ 0,1 ml viene utilizzato. Così, questo nuovo metodo è efficiente con l'utilizzo di materiale. Normalmente 100-200 mg di materiali sarà sufficiente per lo screening di una vasta matrice di condizioni di trattamento, come ad esempio il rapporto di miscelazione, la scelta del solvente, ricottura termica, rendendo mini-slot di morire rivestimento un metodo efficace nella nuova proiezione di materiali. Durante l'esperimento di stampa, assicurarsi che la pompa a siringa non superi il suo limite. Pulire la testa correttamente per smaltire l'accumulo di solidi all'interno delle feritoie di testa; altrimenti, marmellata sistema. Quando si passa da una soluzione all'altra, eseguire una pulizia completa; altrimenti la contaminazione incrociata può accadere. Il fotone attiva polimero mostra il suo colore distinto, che può essere utilizzato come un indicatore del fatto che la testa è completamente pulito o meno.

ve_content "> Il dado spalmatrice mini-slot può essere utilizzato in vari campi relativi al trattamento film sottile. Nel trattamento di dispositivi OPV, nuovi parametri possono essere inclusi. Ad esempio, la temperatura dello scomparto filiera può essere controllata, e quindi un rivestimento soluzione calda . può essere raggiunto il substrato può anche essere riscaldata,.. in tal modo il tasso di evaporazione del solvente può essere messo a punto diverse velocità di rivestimento può essere utilizzato anche per variare la velocità di taglio per controllare la morfologia Negli esperimenti attuali, solo l'esperimento più semplice utilizzando un substrato duro è dimostrata. substrati conduttivi plastica possono anche essere usati per fabbricare dispositivi flessibili. Rispetto a girare rivestimento, rivestimento die mini-scanalatura fornisce una lavorazione simile a fabbricazione industriale, che è fondamentale per aiutare ottimizzare industrializzazione della tecnica OPV. un limite maggiore di questa tecnica è che la fabbricazione dispositivo non può essere continuo, che avrebbe bisogno di una macchina di rivestimento roll-to-roll. Tuttavia, il rivestimento stampo mini-slot può rapidamentedi ottimizzare le condizioni di trasformazione e di screening materiale veloce. Queste osservazioni forniscono informazioni utili per la produzione di grande pannello roll-to-roll.

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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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