Printing Herstellung von Bulk-Heterosolarzellen und
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

Hier präsentieren wir ein Protokoll organischen Dünnschicht-Solarzellen herzustellen mit einem Minischlitzdüsenbeschichtungsvorrichtung und der damit verbundenen In-line-Struktur Charakterisierungen Synchrotron Streuung Techniken.

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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

Organische Photovoltaik (OPV) sind eine vielversprechende Technologie kosteneffizienter erneuerbarer Energien in naher Zukunft herzustellen. 1, 2, 3 Enorme Anstrengungen unternommen wurden , photoaktive Polymere und Herstellung hocheffizienten Geräte zu entwickeln. Bisher wurden einschichtige OPV Geräte eine> 10% Wirkungsgrad der Leistungsumwandlung (PCE) erreicht. Diese Wirkungsgrade wurden im Labormaßstab Geräte unter Verwendung von Spin-Coating erreicht, den Film zu erzeugen und die Translation zu größeren Größenskala Geräte hat voll gewesen mit erheblichen Verringerungen der PCE. 4, 5 in der Industrie, Rolle-zu-Rolle (R2R) ist Dünnschicht basierende Beschichtung zu erzeugen Photonen aktiven Dünnschichten auf leitfähige Substrate verwendet werden, die ganz verschieden von typischen im Labormaßstab Prozessen, insbesondere in der Rate der Entfernung des Lösungsmittels. Dies ist kritisch, da die Morphologien sind kinisch gefangen, aus dem Zusammenspiel zwischen mehreren kinetischen Prozesse, einschließlich Phasentrennung, Ordnung, Orientierung und Lösungsmittelverdampfung. Obwohl 6, 7 Diese kinetisch eingeschlossener Morphologie, bestimmt weitgehend die Leistungsfähigkeit der Solarzelle Geräte. Damit der Morphologie während des Beschichtungsprozesses die Entwicklung zu verstehen, ist von großer Bedeutung für die Morphologie manipulieren, um die Leistung zu optimieren.

Die Optimierung der Morphologie erfordert die Kinetik Verständnis mit der Ordnung des löcherleitenden Polymeren in Lösung assoziiert als Lösungsmittel entfernt wird; 8, 9 die Quantifizierung der Wechselwirkung des Polymers mit dem Fullerenbasierte Elektronenleiter; 10, 11, 12 , die Rollen von Additiven bei der Definition der morpho Verständnislogie; 13, 14, 15 und die relativen Raten der Verdampfung des Lösungsmittels (e) und Zusatzstoffe auszugleichen. 16 Es war eine Herausforderung , die Entwicklung der Morphologie quantitativ in der aktiven Schicht in einem industriell relevanten Einstellung zu charakterisieren. Roll-to-Roll-Verarbeitung ist für die Herstellung von großen OPV-Geräte untersucht. 4, 17 jedoch Diese Studien wurden in einer Herstellungseinstellung durchgeführt , wobei große Mengen an Materialien verwendet werden, wirkungsvoll Studien handelsübliche Polymere begrenzen.

In diesem Dokument werden die technischen Details der OPV Vorrichtungen Herstellen eines Minischlitzdüsenbeschichtungssystem demonstriert. Beschichtungsparameter wie Filmtrocknungs Kinetik und Filmdickensteuerung sind auf größeren Maßstab Prozesse, so dass diese Studie in direktem Zusammenhang mit der Industrie fagewährleisten maximale. Außerdem ist eine sehr kleine Menge an Material in dem Minischlitzdüsenbeschichtungsversuch verwendet, diese Verarbeitung für neue synthetische Materialien. Konstruktiv kann dies Minischlitzdüsenbeschichtungsvorrichtung auf Synchrotron Endstationen montiert werden und somit streifendem Einfall Kleinwinkel-Röntgenstreuung (GISAXS) und Röntgenbeugung (GIXD) verwendet werden können Echtzeit-Studien über die Entwicklung zu ermöglichen, der Morphologie über einen breiten Bereich von Längenskalen in verschiedenen Stadien der Filmtrocknungsprozess unter einer Reihe von Verarbeitungsbedingungen. Information in diesen Studien erhaltenen kann direkt an einem industriellen Fertigungseinstellung übertragen werden. Die geringe Menge der verwendeten Materialien ermöglicht eine schnelle Screening einer großen Anzahl von photoaktiven Materialien und deren Mischungen unter verschiedenen Verarbeitungsbedingungen.

Die halbkristallinen Diketopyrrolopyrrol und Quaterthiophen (DPPBT) basierten Low-Band konjugierten Polymeren wird als Modell Spendermaterial und (6,6) -phenyl C71-butyri verwendetc säuremethylester (PC 71 BM) als Elektronenakzeptor verwendet. 18, 19 Es ist in früheren Studien gezeigt , dass DPPBT: PC 71 BM - Mischungen große Phasentrennung bilden , wenn Chloroform als Lösungsmittel verwendet wird . A: Chloroform: 1,2-Dichlorbenzol Lösungsmittelgemisch, um die Größe der Phasentrennung zu verringern und somit die Leistung der Vorrichtung erhöhen. Die Morphologie Bildung während des Lösungsmitteltrocknungsprozess wird durch streifendem Einfall Röntgen in situ untersucht Beugung und Streuung. Solarzellen Vorrichtungen hergestellt unter Verwendung der Mini-Schlitzdüsenbeschichtungsvorrichtung mit einem durchschnittlichen PCE von 5,2% zeigte die besten Lösungsmittelgemisch Bedingungen mit, 20 , die ähnlich ist Spin-Beschichtung hergestellten Vorrichtungen. Der Minischlitz Schmelzbeschichter öffnet eine neue Route Solarzellenvorrichtungen in einer Forschungslaborumgebung herzustellen, die einen industriellen Prozess nachahmt, eine Lücke in der Vorhersage der Überlebensfähigkeit dieser Materialien in einem industriell rel Befüllenvanten Einstellung.

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Protocol

1. Photon aktive Mischung Tintenherstellung

  1. Wiegen 10 mg DPPBT Polymer und 10 mg PC 71 BM Material (chemische Strukturen in Figur 1 gezeigt). Mischen Sie sie in einem 4-ml-Fläschchen.
  2. 1,5 ml Chloroform und 75 ul 1,2-Dichlorbenzol in die Mischung.
  3. Setzen Sie einen kleinen Rührstab in das Fläschchen, schließen Sie das Fläschchen mit einem Polytetrafluorethylen (PTFE) Kappe, und übertragen Sie die Fläschchen auf einer heißen Platte. Rühre bei ~ 400 Upm und Wärme bei ~ 50 ° C über Nacht vor dem Gebrauch.

2. ITO und Wafer-Substrat Reinigung und Vorbereitung

  1. Laden Indium - Zinn - Oxid (ITO) Glassubstrat (1 Zoll von 3 Zoll, wobei die Hälfte ITO entfernt) vorge gemustert oder Silizium - Wafer in eine Teflon Reinigung Rack und setzen Sie das Rack in einen Glasbehälter (Abbildung 2). In verdünnten Reinigungslösung (300 ml, 1% Universal-Reinigungslösung) in den Glasbehälter und setzen Sie den Glasbehälter in Beschallungsgerät und beschallen für 15 min.
  2. Entfernen Sie die Reinigungsmittel und spülen Sie das ITO-Glas mit deionisiertem (DI) Wasser ein paar Mal. Dann fügen Sie 300 ml DI-Wasser in den Behälter, und setzen Sie den Glasbehälter in Beschallungsgerät für weitere 15 Minuten.
  3. Entfernen des Wassers aus dem Behälter. Hinzufügen von 300 ml Aceton in den Behälter und beschallen für 15 min.
  4. Entfernen Sie das Aceton. In 300 ml 2-isopranol in den Glasbehälter, und dann für 15 min beschallen.
  5. Bewegen Sie die Reinigung in einen Ofen Rack aus. Stellen Sie die Ofentemperatur auf 100 ° C, und warten Sie 3-5 Stunden, bis das ITO-Glas vollständig getrocknet wird.
  6. Nehmen Sie gereinigten Substrate. Bringen Sie sie in eine UV-Ozon-Reiniger oder Sauerstoff-Plasma-Reiniger. Verwenden Sie High-Power-UV-Ozon oder Plasma zu reinigen für ~ 15 min nach dem Protokoll des Herstellers.
  7. Setzen Sie das gereinigte Substrat auf einen Spin-Coater, fügen Sie 150 ul Poly (3,4-ethylendioxythiophen) Polystyrolsulfonat (PEDOT: PSS) Lösung auf das gereinigte Substrat und Schleuderbeschichtung bei 3000 Umdrehungen pro Minute zu beschichtena ~ 30 nm dicken PEDOT: PSS (PEDOT: PSS 4083) Dünnfilm entweder auf die ITO-Glas oder Silizium-Wafern.
  8. Take off Spin-beschichtete Substrate. Übertragen Sie die frisch beschichtete Substrate auf einer Heizplatte und Glühen bei 150 ° C für 15 min.

3. Aktive Ebene Druck

  1. Last Substrat. Setzen Sie die PEDOT: PSS beschichtete ITO-Substrat auf die Grundplatte des Minischlitzdüsenbeschichtungsvorrichtung. Einschalten der Vakuumpumpe, die mit dem Vakuumspannfutter des Schlitzdüsenbeschichtungsvorrichtung verbunden ist, um das Substrat fest zu halten. (Siehe Abbildung 3 auf verschiedene Komponenten finden.)
  2. Stellen Sie die Position des Substrats, um es direkt unter Druckkopf. Dies kann durch Verwendung der Linearmanipulator unterhalb der Substratplatte durchgeführt werden.
  3. Stellen Sie den Kopf kippen mit der 2-D Neigungs Manipulator, der den Druckkopf hält. Stellen Sie sicher, dass der Kopf steht senkrecht auf der Oberseite des geladenen Substrats. Beachten Sie, dass in diesem Prozess kann der Druckkopf abgesenkt werden nahe der Substrate. Verwenden Sie den Abstand zwischen Druckkopf und Substrat zu zeigen, ob der Kopf geneigt ist oder nicht. Dies wird sehr nützlich sein, wenn ein Wafersubstrat verwendet wird, da eine kleinere Bild von Druckkopf wird sich zeigen, und es wird viel leichter sein, die Neigung zu überprüfen.
  4. Stellen Sie den Kopf-an-Substrat-Abstand auf Null. Der vertikale Motor ist mit einem Kraftsensor verbunden ist. Wenn der Druckkopf schwebt, wird eine konstante Kraft Lesung (aus dem Gewicht des Druckkopfes und Kippen Manipulator Baugruppen) erhalten werden. Sobald Druckerkopfsubstrat berührt, wird das Lesen zu verringern, die Nullpositionsmarkierung. Siehe Abbildung 4 für den Schritt Entfernungseinstellung. Verwenden Sie Jog-Modus in den Abstand zu stimmen.
    HINWEIS: Die vertikale Manipulator translationale Platte mit seiner Basis verbunden ist Federn und die Federkonstante mit leicht variiert. So kleine Änderungen in der Kraftsensor sind während des Experiments unvermeidlich.
  5. Stellen Sie einen Kopf-an-Substrat-Wert, das Experiment zu starten. In diesem Experiment hat dieKopfspalt auf 100 & mgr; m auf das Substrat.
  6. Stellen Sie die lineare Translationsstufenmotor, der verwendet wird, um zu drucken. Finden Sie den Startpunkt und Endpunkt. Notieren Sie diese Werte. Die Entfernung des Linearmotors ist 100 mm. Hier stellen 10 mm Motorposition als Ausgangspunkt und 80 mm Motorposition als Endpunkt.
  7. Stellen Sie die Druckgeschwindigkeit auf 10 mm / sec durch den Motor unter Verwendung von Steuersoftware - Schnittstelle (Abbildung 4b). Stellen Sie den Motorbeschleunigungsgeschwindigkeit auf 100 m / sec.
    1. Wenn der Motor nicht richtig funktioniert oder die Software einen Fehler hat, starten Sie die Software und klicken Sie auf "Enable" und dann "zu Hause" in der Software-Schnittstelle. Beachten Sie, dass Verfahren während des Druckens der Druckkopf fixiert bleibt und das Substrat bewegt, um die Lösung zu verzichten und ahmen die industrielle Druckverfahren.
  8. Last DPPBT: PCBM-Lösung (Raumtemperatur) in 1-ml-Spritze und montieren Sie die Spritze mit dem Spritzenpumpe, die mit dem Schlitz verbunden iststerben Drucker. Stellen Sie die Druckparameter in Steuersoftware (Spritzendurchmesser und Lösungszufuhrgeschwindigkeit, 0,3 ml / min in diesem Fall).
  9. Starten Sie den Druck Experiment.
    1. Bewegen Sie das Substrat zum Ausgangspunkt durch die Startpunktposition im Positionsfenster eingeben Software zu steuern. Siehe Abbildung 4c für weitere Einzelheiten.
    2. Starten Lösung in Schlitzdüsenkopf zu pumpen, indem Sie den Start in der Spritzenpumpe Software klicken. Alternativ manuell bedienen, die Spritzenpumpe. Für jede Beschichtung wird rund ~ 100 & mgr; l Lösung verwendet werden. Normalerweise verwenden 300 ul Lösung erstmals den Druck und verwenden ~ 100 & mgr; l Lösung für wiederholte Druck.
    3. Schnell die Translations Motor zu starten, wenn die Lösung aus dem Druckkopf herauskommt beginnt, und das Substrat wird in die Endposition bewegen. Bitte beachten Sie, dies ist ein wichtiger Schritt. Preload die Translationsmotor Endposition in das Positionsfenster, und drücken Sie die Eingabetaste, um den Motor zu starten movement.
    4. Stoppen Sie die Spritzenpumpe und heben Sie den Druckkopf durch die vertikale Motor. Schalten Sie das Vakuum aus, und nehmen Sie das Substrat aus der Grundplatte. mehr als 250 & mgr; l Lösung Beachten Sie, dass das Totvolumen für diesen Druckkopf 250 & mgr; l ist, und somit nimmt das erste Mal mit Wasser gefüllt.
    5. Legen Sie das bedruckte Substrat in einem Vakuumofen 3-5 Stunden restliches Lösungsmittel zu entfernen.
    6. Legen Sie eine Petrischale unter dem Druckkopf. Die Pumpe 10 ml Chloroform in den Druckkopf, den Kopf zu reinigen. Sammeln Sie die kontaminierte Chloroform-Lösung mit der Petrischale. Verwenden Sie Wattestäbchen den Druckkopf zu reinigen, während die Reinigungslösung zu pumpen. Nach jedem Beschichtungsgang, reinigen Sie den Druckkopf, vor allem, wenn eine andere Lösung verwendet wird.
      HINWEIS: Die DPPBT: PCBM Lösung zeigt eine dunkelgrüne Farbe. Wenn die Reinigung abgeschlossen ist, kann keine Farbe aus dem Chloroformlösungsmittel gesehen werden.

4. Kathodenelektrode Deposition

  1. Laden Sie dasaktive Schicht beschichtete Substrat auf Schattenmasken (5) und der Maske in die Verdampfungskammer montieren.
  2. Legen Sie zwei thermische Verdampferschiffchen zwischen den Elektrodenbolzen (6a). Legen Sie ein Boot mit LiF Salz (kaum für das Boot, ~ 0,2 g) und ein Boot mit Aluminiummetall (4 Pellets).
  3. Schließen der Verdampfungskammer und der Pumpe der Verdampfungskammer auf etwa 2 x 10 -6 Torr.
  4. Stellen Sie die Kammer 1 nm LiF von 100 nm von Aluminium gefolgt abzuscheiden. Im aktuellen Fall, verwenden 20% Leistung für LiF Abscheidung und verwenden 26% Leistung für Al-Abscheidung. Gezeigt in Figur 6b ist der Verdampfer - Steuerschnittstelle des Systems in dieser Studie verwendet.
  5. Stoppen Sie Evakuierungspumpen und füllen Sie die Kammer mit Stickstoffgas. Wenn der Druck wieder auf Atmosphärendruck, nehmen die Substrate aus.

5. Photovoltaik-Leistungsmessung

  1. Bereiten Sie einen Glasträger, die die Hälfte derBreite der ITO-Glas, das in der Bauelementherstellung verwendet wird. Führen Sie diesen Schritt in einem Handschuhkasten. Paste Epoxid - Kleber auf eine Seite des Glassubstrats, und decken den Gerätebereich mit den Epoxid - Kleber beschichtete Glasträger (siehe Abbildung 11 für die Probengerät). Wenn das Epoxid ausgehärtet ist, wird das Gerät vollständig abgedichtet werden.
  2. Starten Sie die Sonnensimulation Lampe und setzen 1,5 Strahlung mit 100 mW / cm 2 bis AM. Stabilisieren Sie die Lampe für etwa 15 Minuten vor der Messung. Gezeigt in Figur 7 ist das PV - Messsystem in dieser Studie verwendet.
  3. Montieren Sie das Gerät unter dem Solarsimulator am Instrument vorgeschlagen Abstand. Verbinden der Anode und der Kathode mit der Messschaltung. Aufzeichnen einer Strom-Spannungskurve mit einem elektrischen Multimeters Protokoll des Herstellers verwendet wird.
  4. Bestimmen die Leistung der Vorrichtung wie folgt:
    J sc: Kurzschlussstrom, der maximale Strom , dass eine Solarzellenvorrichtung liefern kann;
    V oc FF: Füllfaktor, die maximale Fläche in IV - Kurve dividiert durch J sc * V oc;
    PCE: Energieumwandlungseffizienz, J sc * V oc * FF / (100mW / cm 2).

6. Synchrotron-Röntgenmess

  1. Einrichten einer Heliumkasten Luftstreuung in der Röntgenmessung zu unterdrücken. Montieren Sie den Mini-Slot-Die-Coater in den Helium Box. Gezeigt in der Abbildung 8 ist der Versuchsaufbau von streifenden Einfall Röntgenbeugungsexperimenten ein Helium - Box bei Advanced Light Source verwenden.
  2. Montieren eines optischen Interferometers auf die Druckmaschine die Dickenänderung über die Lösungsmittelverdampfung zu überwachen. In diesem Experiment verwenden , um ein UVX Modell (zB Filmetrix F20). Die Materialien, die in diesem Experiment verwendet werden, haben eine starke Lichtabsorption von 300 bis 900 nm Wellenlänge.
    1. Verwenden Sie eine Quellenlampe des optischen Interferometers thbei vermeidet Materialabsorption. Verwenden Sie eine 1,100-1,700 nm Wellenlänge Lampe in diesem Experiment. Pre-Kalibrierung des Instruments, bevor Experiment nach ihrer Betriebsabläufe.
  3. Setzen Sie die PEDOT: PSS beschichtete Wafersubstrat auf Substrathalter des Druckers und stellen Sie den Kopf und Substratposition folgenden Schritt 3,2-3,5. Schalten Sie die Vakuumpumpe und stellen Sie sicher, dass das Wafersubstrat fest an dem Substrathalter klebt.
  4. Spülen Sie die Helium Box Luft zu entfernen. Man beachte, dass Sauerstoffgehalt sollte weniger als 0,3% v, die durch Sauerstoffsensor überwacht werden kann.
  5. Ausrichten des Substrats an der Position, wo die Röntgenstrahlen auf das Substrat (die Endposition in Druck) und stellen die Einfallswinkel, 0,16 ° in diesem Fall trifft. Richten Sie nach Beamline-Protokoll.
  6. Stellen Sie die Röntgenbelichtungszeit und Datenerfassungsmethode. Hier verwenden 2 Sek wie die Belichtungszeit, und um 3 Sek der Verzögerungszeit folgte (auf Server Strahlschäden zu vermeiden). Somit wird jeder Versuch Zeitraum wirdsein 5 Sek. Führen Sie eine kontinuierliche Warteschlange von 100 Wiederholungen; also 100 Bilder aufnehmen.
  7. Nennen Sie das Experiment, und wählen Sie den Datenpfad experimentelle Dateien zu speichern. Gezeigt in der Abbildung 9 ist der Advanced Light Source - Strahlrohr 7.3.3 Benutzeroberfläche , wo die oben genannten Einstellungen können leicht entfernt werden.
  8. Bewegen des Substrats in die Ausgangsposition durch die Startposition in Motorsteuerungssoftware eingeben. Starten Sie den X-ray Shutter und der Detektor kontinuierlich Beugung / Streuung Signale aufzuzeichnen.
  9. Starten Sie die Spritzenpumpe Lösung in Druckkopf zuzuführen. Wenn die Lösung aus dem Druckkopf auszustoßen beginnt (von einer Überwachungskamera überwacht), schnell den Druckvorgang zu starten.
    HINWEIS: Wenn die vorgewählten Messposition erreicht ist, 2-D-Detektor wird das Streusignal aus der Lösung zu erfassen. Die Filmdicke wird durch Interferometer überwacht werden. So ist die dünne Evolution Filmmorphologie wird aufgezeichnet.
  10. Heben Sie den DruckerKopf und den Kopf reinigen, wenn Experiment durchgeführt wird.

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Representative Results

Dargestellt in Figur 3 ist der Minischlitzdüsenbeschichtungssystem. Es besteht aus einer Beschichtungsmaschine, eine Spritzenpumpe und einem zentralen Schaltkasten. Die Beschichtungsmaschine ist der wesentliche Bestandteil, der aus einer Breitschlitzdüse Kopf hergestellt ist, eine horizontale Translationsstufe und eine vertikale Translationsstufe. Die Schlitzdüsenkopf ist mit der Basis eines vertikalen Translationsmotor über ein 2-D Neigungs Manipulator montiert ist. Figur 10a zeigt den Druckerhauptkörper ohne die Druckkopfbefestigungs , aus dem der 2-D Neigungs Manipulator markiert ist. Figur 10b zeigt die Montage des Druckkopfes an die 2-D Neigungs Manipulator. Figur 10c zeigt ein vergrößertes Bild von Druckkopf und Bodenplatte. Ein Kraftsensor ist in die vertikale Translationsstufe aufgebaut. In Experimenten wird die vertikale Translationsstufe verwendet Kopf-zu-Substrat-Abstand einzustellen, und die 2-D Neigungsmotor wird verwendet adjust der Kopf streng vertikal zu sein. Der Kraftsensor wird verwendet, um das Gewicht des Schlitzdüsenkopfsystem zu überwachen. Sobald der Kopf das Substrat berührt, wird ein Sprung von positiven Messwert zu einem negativen Lesen beobachtet werden, was auf die Kopfposition. Der Kopf wird auf die gewünschte Höhe nach oben einen gewissen Abstand zu geben. Während des Druckens ist der Schlitzdüsenkopf befestigt und die unteren bewegt sich horizontal Translationsstufe. Mit Flüssigkeit vom Kopf Schlitz abgegeben wird, kann ein gleichmäßiger Film erhalten werden. Es sollte erwähnt werden, dass beide Druckkopf und Substratplatte Temperaturkontrollsysteme verfeinert. Ein Temperaturbereich von Raumtemperatur bis 150 ° C kann während des Druckvorgangs für dieses System verwendet werden. 11a zeigt ein ITO - Substrat mit konjugierten Polymer beschichtet: PCBM mischt. Der Film ist sehr visuell glatt. Es ist zu beachten, dass der Anfang und das Ende der beschichteten Folie nicht immer einheitlich ist, aufgrund der Meniskus gebildet und dem Trocknungs von den Rändern. Wenn der su bstrate lang genug ist oder wenn das Substrat in kontinuierlicher Weise beschichtet ist (wie bei einem R2R-Drucker) kann dieses Problem gelöst werden.

Frisch beschichtete Substrat (Glas / ITO / PEDOT: PSS / aktive Schicht) wird in einem Vakuumofen über einen kurzen Zeitraum übertragen und dann in Schattenmasken geladen. Die Maske wird geladen in den Verdampfer zu Ablagerung Kathode dünne Schicht. Dargestellt in Figur 5 ist eine Lochmaske , die in dem Experiment verwendet wird. 11b zeigt eine fertige Vorrichtung nach der Kathodenschichtabscheidung. Die Leistung der Vorrichtung wird mittels eines Solarsimulators unter 100 mW / cm 02.00 1.5 Zustand verwendet wird . Gezeigt in Figur 12 ist eine repräsentative Strom-Spannungskurve eines Minischlitzes beschichteten Vorrichtung sterben. Eine durchschnittliche Leistungsumwandlungswirkungsgrad von 5,2% für Breitschlitzdüse beschichteten Vorrichtungen erreicht, die zu der durch Schleuderbeschichtung (~ 5,6% PCE) erreicht, liegt.

1 "> Die in situ GIXD und GISAXS Experimente sind nützliche Methoden , die Morphologie Entwicklung der gedruckten BHJ Tinte zu verfolgen. Das Polymer Kristallisation kann durch die GIXD Experiment und die Phasentrennung verfolgt werden kann durch GISAXS verfolgt werden. In Experimenten, die Mini-Schlitz Düsenbeschichtungsvorrichtung auf einem Goniometer innerhalb des Heliumkasten (13) montiert ist. die Kabelverbindung gekoppelt und somit wird, können die Instrumente außerhalb des Synchrotrons Stalles betrieben werden. in Fig 14 ist das Betriebszentrum an der Röntgenstrahllinien . die obere linke Computer steuert die beamline Parameter, der Zentralrechner der beamline Bedienoberfläche ist, die die Röntgenschieber und zeichnet Daten steuert, die linke Computer für zwei Überwachungskamera das analoge Fenster im Inneren des Stalles ist, konzentriert man sich auf der Probenposition und eine konzentriert sich auf die Schlitzdüsenkopf Schlitz und somit kann die Lösung Status zu überwachen, in der unteren linken Computer läuft horizontale und vertikale translatorische Hirsche-Motor-Software und Spritzenpumpe Steuerungssoftware. Gezeigt in Figur 15 ist ein typischer in situ grazing incidence Kleinwinkelstreuexperiment während der Lösungsmitteltrocknung. Die zeitliche Entwicklung ist farbcodiert. In der früheren Stufe der Trocknung (ein Überschuss an Lösungsmittel vorhanden), wird eine rote Streukurve zu sehen ist, und mischt sich gut gemischt. Ein Streu - Peak allmählich auf etwa 0,02 A -1 entwickelt, was auf eine ~ 60 nm von Phasentrennung. Diese Information, wenn sie mit in situ GIXD Ergebnisse, wird uns sagen , die Kinetik der Polymerkristallisation und Phasentrennung.

Abbildung 1
Abbildung 1: Chemische Struktur von konjugierten Polymers DPPBT und chemisch modifizierte Fulleren PC 71 BM in dieser Studie verwendet. bitte klickenhier, um eine größere Version dieser Figur sehen.

Figur 2
Abbildung 2: 1/3 entfernt ITO - Substrate und Teflon - Rack in ITO Glasreinigung eingesetzt. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Figur 3
Abbildung 3: (a) Hauptkörper des Mini-slot Schmelzbeschichter. Der Druckkopf ist auf dem Verkippen Manipulator montiert. Die beiden Knöpfe über dem Schlitzdüsenkopf verwendet werden, der den Druckkopf nur kippen. Eine runde Form Schrittmotor montiert ist, vertikal vertikale Bewegung des Druckkopfes zu liefern. Die wichtigsten horizontalen Translationsstufe ist auf der Fußleiste befestigt linear zur Verfügung zu stellenBewegung zur Beschichtung der Folie. Beide Druckkopf und Substratbasis kann beheizt werden. (B) Schaltkasten mit Spritzenpumpe montiert an der Spitze. Der linke Würfel ist die Steuerung für die vertikale Motor; der mittlere Würfel ist die horizontale Motorsteuerung; die richtigen drei Platten sind Temperaturregler für den Kopf (oben), Temperaturregler für die Basis (Mitte) und Kraftsensor. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Abbildung 4
Abbildung 4: Mini-Breitschlitzdüse Druckermotor Steuerung Software - Schnittstellen. (A) Haupt Software - Schnittstelle: die vertikale Schrittmotorsteuerungssoftware auf der Oberseite und lineare Translationsmotor - Software ist im Boden; (B) Geschwindigkeitseinstellung und BeschleunigungEinstellung Schnittstelle sowohl für vertikale und horizontale Translationsmotor; (C) Position für die horizontale Translationsmotoreinstellung. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Abbildung 5
Abbildung 5: Schattenmaske in der Kathodenschichtabscheidung verwendet. Vorrichtungssubstrate werden in die Schnittfläche der Maske geladen werden. Die Maske wird auf der Verdampfungskammer montiert werden, und Elektrodenmetall wird durch den Schnitt Rechteck Bereiche abgeschieden werden. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Figur 6 <br /> Abbildung 6: (a) Verdampfer und Elektroden Stollen Layout. Im Betrieb Tantalmetall Boot in-zwischen Elektrode Bolzen montiert werden. Elektrodenmetall wird in Boot geladen werden; und elektrischer Strom wird das Boot zu thermisch verdunsten Elektrode Metall erhitzen. (B) Verdampfer - Steuerschnittstelle. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

7
Abbildung 7: Standard photovoltaischen Meßsystems. (A) Solarsimulator; (B) Sonnensimulator - Controller; (C) Sonnensimulator Flussregler. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version zu sehen diese Figur.

Abbildung 8
Abbildung 8: streifenden Einfall Röntgenbeugungsexperimenten Helium - Box verwenden. Das Helium-Box verwendet, um eine experimentelle Atmosphäre zu erzeugen, die weniger Luftstreuung aufweist. Schlitzdüsen Drucker ist im Inneren des Helium-Box während Experiment installiert. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

9
Abbildung 9: Die Synchrotron - Beamline Control Software - Schnittstelle. Diese Schnittstelle steuert die beamline Experiment. Das linke Feld wird verwendet, um Proben auszurichten; die rechte Tafel steuert die Röntgenbelichtungszeit, Testnamen und zeigt das Streusignal. : //ecsource.jove.com/files/ftp_upload/53710/53710fig9large.jpg "Target =" _ blank "> Bitte hier klicken, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

10
Abbildung 10: Mini-Breitschlitzdüse Drucker große Teile vergrößert. (A) Hauptkörper des Schlitzdüsenbeschichtungsvorrichtung. Ein vertikaler Motor ist mit einer Wägezelle Kraftsensor gekoppelt ist und auf eine vertikale Manipulator integriert. Ein 2-D Neigungs Manipulator auf der vertikalen Manipulator montiert ist. (B) Der Druckkopf, der auf die 2-D Neigungs Manipulator montiert ist. (C) Vergrößern Abbildung des Druckkopfes. Der Kopf ist sehr nah an dieser Stelle auf Grundplatte. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

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Abbildung 11: Photon aktive Schicht beschichteten Substrat (links) und abgeschlossen Geräte nach Kathodenschichtabscheidung (rechts). Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

12
Abbildung 12: Strom-Spannungs - Kurve der Breitschlitzdüse beschichteten Vorrichtung. Kurzschlussstrom, Leerlaufspannung kann von den kurvenAchsenAbschnitte gelesen werden. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

13
Abbildung 13: strong> Mini-Slot - Die - Coater innerhalb Helium - Box in Synchrotron - Station geladen. (A) Frontansicht; (B) Seitenansicht. Optischen Interferometers angebracht ist, die Dicke des beschichteten Films zu überwachen. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

14
Abbildung 14: Steuerungssystem von In-situ - Minischlitzdüsenbeschichtung Experiment in Advanced Light Source Strahlrohr 7.3.3. Jede Schnittstelle ist in der Figur markiert. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

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Abbildung 15: Typische GISAXS Morphologie Evolution. Die Kurvenanpassung ist notwendig, um die Informationen von Phasentrennungen erhalten. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

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Discussion

Das hier beschriebene Verfahren konzentriert sich eine Filmherstellungsverfahren zu entwickeln, das leicht skaliert in der industriellen Produktion werden kann. Dünnfilmdruck und Synchrotron Morphologie Charakterisierung sind die kritischsten Schritte mit dem Protokoll. In früheren Labor skaliert OPV Forschung wird Spin-Coating als die dominierende Methode zur Dünnschichtvorrichtungen herzustellen. Jedoch verwendet dieses Verfahren hohe Zentrifugalkraft, um sich auszubreiten BHJ-Lösung, die aus der industriellen Basis Roll-to-Roll-Fertigung ganz anders. Damit das Wissen und die Erfahrung von der Schleuderbeschichtungs Studie erhalten wurde, kann nicht direkt auf große Fläche Vorrichtungsherstellung übertragen werden. Die Mini-Schlitzdüsenbeschichtungsvorrichtung in den aktuellen Studien vorgestellt, ist auf die industrielle Filmbeschichtungsvorrichtung ähnlich und wird daher für vorindustriellen Tests ideal. Parameter, die die Filmmorphologie zu steuern, die die Leistung der Vorrichtung entsprechen, müssen erneut untersucht werden. Die Materialkosten in Minischlitzdüsenbeschichtung ist minimal und somitgroße Menge von Vorrichtungsherstellungsbedingungen optimiert werden.

Eine Synchrotron-Messung wird verwendet, um die Morphologie Entwicklung von Bulk-Hetero (BHJ) Solarzelle dünnen Filmen zu bestimmen. Wir führen streifenden Einfall Röntgenbeugung (GIXD) und streifenden Einfall der Röntgenstreuung (GISAXS), um die Entwicklung der Struktur zu überwachen. Es ist ideal, diese beiden Experimente zusammen zu laufen. Falls dies nicht möglich, sie können getrennt durchgeführt werden. Der einzige Unterschied zwischen GIXD und GISAXS ist die Probe-Detektor-Abstand und damit nur wir das Experiment Details einmal beschreiben. PEDOT: PSS beschichtete Siliziumwafer wird als Beschichtung von Substraten verwendet werden. Der Druckvorgang ist der gleiche wie der Prozeß zur Bauelementherstellung. Es ist wichtig, dass der Drucker Position auf dem Substrat und der rechte q Bereich erreicht werden kann, um sicherzustellen, berechnet wird und das Substrat Startpunkt und Endpunkt kann mit Röntgenstrahlen belichtet werden. Beachten Sie auch, dass in dem GIXD Experiment, um die Probe-Detektor-distanz ist klein, und der Detektor montiert ist ziemlich nahe an der Heliumkasten. Im GISAXS Experiment wird ein fliegendes Luftröhre erforderlich Streuung, da die Probe-Detektor-Abstand ist ziemlich groß (ca. 4 m in diesem Experiment Einstellung) zu reduzieren. Bitte beachten Sie, dass beide GIXD und GISAXS Messungen werden an der Endposition erfolgen. Wenn der Druckprozess die Endposition erreicht, wird die lineare Translationsmotor stoppt, und kontinuierliche Röntgenstreuung / Beugungsdaten erzeugt wird. Beachten Sie, dass die Fahrstrecke für die lineare Translationsstufe 10 cm ist. An der Startposition wird das Substrat weit von dem Röntgenstrahl, und nur das Sendesignal des Hintergrund ist in der 2-D-Röntgendetektor erfasst. Wenn das Substrat bewegt sich zu der Messposition, wird sie von der Übertragung zu ändern grazing incidence Streuung Streuung und dieser Übergang kann als der Startmarkierung des Experiments verwendet werden.

Die geringe Größe von Minischlitzdüsenbeschichtungsvorrichtung ist gut geeignet für r esearch Labor. Der Verbrauch von photoaktiven Materialien ist sehr gering. Normalerweise können 10 mg konjugierten Polymeren 1-2 ml Lösung. Das Totvolumen in dem Druckkopf ist etwa 0,25 ml. In jedem Beschichtungs Experiment ~ 0,1 ml verwendet. Somit ist dieses neue Verfahren mit den Materialverbrauch effizient. Normalerweise 100-200 mg von Materialien sein genug wird ein effizientes Verfahren in neuen Materialien Screening eine große Matrix von Verarbeitungsbedingungen, wie Mischungsverhältnis, Lösungsmittelwahl, thermisches Glühen, so dass Mini-Breitschlitzdüse zu screenen Beschichtung. Während des Druck Experiment, stellen Sie sicher, dass der Spritzenpumpe nicht ihre Grenze nicht überschreitet. Reinigen Sie den Kopf richtig von festen Ablagerungen im Inneren der Kopf Schlitze zu verfügen; andernfalls wird es das System verklemmen. Wenn man von einer Lösung zur anderen ändern, eine gründliche Reinigung durchführen; andernfalls kann eine Kreuzkontamination passieren. Das Photon aktives Polymer zeigt seine ausgeprägte Farbe, die als Indikator verwendet werden kann, als ob der Kopf vollständig gereinigt ist oder nicht.

ve_content "> Die Minischlitz Schmelzbeschichter in verschiedenen Bereichen können Dünnschichtverarbeitung im Zusammenhang verwendet werden. In OPV Gerät Verarbeitung können neue Parameter einbezogen werden. Beispielsweise kann die Schlitzdüsenkopftemperatur gesteuert werden, und somit eine heiße Lösung Beschichtungs . erreicht werden das Substrat kann auch erhitzt werden;.. damit die Lösungsmittelverdampfungsrate fein abgestimmt werden kann Verschiedene Beschichtungsgeschwindigkeiten können auch verwendet werden, um die Scherrate zu variieren Morphologie zu steuern In den aktuellen Experimenten, nur mit den einfachsten Experiment ein hartes Substrat nachgewiesen wird. Plastic leitfähiger Substrate können flexible Vorrichtungen herzustellen verwendet werden. im Vergleich Beschichtung zu drehen, Minischlitzdüsenbeschichtung stellt eine Verarbeitung, die zur industriellen Herstellung ähnlich ist, die bei der Unterstützung der Optimierung Industrialisierung des OPV Technik kritisch ist. One große Einschränkung dieser Technik ist, dass die Vorrichtungsherstellung nicht kontinuierlich sein kann, was eine Rolle-zu-Rolle-Beschichtungsmaschine benötigen würde. jedoch ist der Minischlitzdüsenbeschichtung können schnellOptimierung der Verarbeitungsbedingungen und schnelle Materialscreening. Diese Beobachtungen liefern nützliche Erkenntnisse für die Rolle-zu-Rolle große Panel-Produktion.

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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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