Tryckning Tillverkning av Bulk hetero solceller och
1Materials Sciences Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, 2Department of Polymer Science and Engineering, University of Massachusetts, Amherst, 3Advanced Light Source, Lawrence Berkeley National Laboratory

Published 1/29/2017
0 Comments
  CITE THIS  SHARE 
Engineering

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

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

Welcome!

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





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

 

Summary

Här presenterar vi ett protokoll för att tillverka organiskt tunnfilmssolceller med hjälp av en mini-slot die coater och tillhörande in-line struktur karakteriseringar använder synkrotron spridningstekniker.

Cite this Article

Copy Citation

Liu, F., Ferdous, S., Wan, X., Zhu, C., Schaible, E., Hexemer, A., et al. Printing Fabrication of Bulk Heterojunction Solar Cells and In Situ Morphology Characterization. J. Vis. Exp. (119), e53710, doi:10.3791/53710 (2017).

Please note that all translations are automatically generated.

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

Abstract

Introduction

Organiska solceller (OPV) är en lovande teknik för att producera kostnadseffektiva förnybara energikällor inom en snar framtid. 1, 2, 3 enorma ansträngningar har gjorts för att utveckla fotoaktiva polymerer och tillverka högeffektiva enheter. Hittills har enstaka lager OPV enheter uppnått en verkningsgrad> 10% Power Conversion (PCE). Dessa effektivitetsvinster har uppnåtts i laboratorieskala enheter med spinnbeläggning för att generera film och översättning till större storlekstabellen enheter har varit fylld med betydande minskningar i PCE. 4, 5 Inom industrin, roll-to-roll (R2R) baserad tunnfilmsbeläggning används för att generera foton aktiva tunna filmer på ledande substrat, vilket är helt annorlunda från typiska laboratorieskala processer, särskilt i hastigheten för avlägsnande av lösningsmedel. Detta är avgörande eftersom morfologier är kinetically instängd, till följd av samspelet mellan flera kinetiska processer, inklusive fasseparation, beställning, orientering och lösningsmedelsindunstning. 6, 7 Detta kinetiskt fångade morfologi, men till stor del avgör utförandet av solcellsanordningar. Således, att förstå utvecklingen av morfologin under beläggningsprocessen är av stor betydelse för att manipulera morfologin för att optimera prestanda.

Optimeringen av morfologin kräver att förstå kinetiken associerade med beställning av hålet ledande polymer i lösning som lösningsmedlet avlägsnas; 8, 9 att kvantifiera de interaktioner av polymeren med fulleren baserade elektronledaren; 10, 11, 12 att förstå rollerna för tillsatser i att definiera morphology; 13, 14, 15 och balansera de relativa hastigheterna för avdunstning av lösningsmedlet (n) och tillsatser. 16 Det har varit en utmaning att karakterisera utvecklingen av morfologi kvantitativt i det aktiva lagret i ett industriellt relevant miljö. Rulle-till-rulle behandling har studerats för tillverkning av storskaliga OPV enheter. 4, 17 var dock dessa studier utförs i en tillverkningsmiljö där används stora mängder material, effektivt begränsa studier till kommersiellt tillgängliga polymerer.

I detta dokument är de tekniska detaljerna för tillverkning av OPV enheter med en mini-slitsmunstycke beläggningssystem demonstreras. Beläggningsparametrar såsom filmtork kinetik och skikttjocklek kontroll gäller för större skala processer, vilket gör denna studie är direkt relaterade till industrin fabrication. Dessutom, är en mycket liten mängd av material som används i mini slitsmunstycket beläggnings experimentet, vilket gör denna behandling tillämpas på nya syntetiska material. I design, kan denna mini-slitsmunstycke beläggare monteras på synkrotron ändstationer, och sålunda bete infalls liten vinkel röntgenspridning (GISAXS) och röntgendiffraktion (GIXD) kan användas för att göra det möjligt för realtidsstudier om utvecklingen av morfologin över ett brett område av längdskalor i olika skeden av filmtorkningsprocessen under ett område av processbetingelser. Den information som erhållits i dessa studier kan överföras direkt till en industriell tillverkningsmiljö. Den lilla mängd material som används möjliggör en snabb screening av ett stort antal fotoaktiva materialen och deras blandningar under olika bearbetningsförhållanden.

Den halvkristallina diketopyrrolopyrrol och quaterthiophene (DPPBT) baserad låga bandet konjugerad polymer används som modell donatormaterial, och (6,6) -fenyl C71-butyric-metylester (PC 71 BM) används som den elektroniska acceptor. 18, 19 Det visas i tidigare studier som DPPBT: PC 71 BM blandningar bildar stora storleken fasseparation vid användning av kloroform som lösningsmedel. En kloroform: 1,2-diklorbensen lösningsmedelsblandningen kan minska storleken på fasseparation och därmed öka anordningens prestanda. Morfologin formation under lösningsmedelstorkningsprocessen undersöks in situ genom betande incidens röntgendiffraktion och spridning. Solcells enheter tillverkas med hjälp av mini-slot die coater visade en genomsnittlig PCE 5,2% genom att använda de bästa lösningsmedelsblandningsförhållanden, 20 som liknar spin-beläggning tillverkade enheter. Mini-slitsmunstycke beläggnings öppnar en ny rutt för att tillverka solcells enheter i laboratoriemiljö forskning som härmar en industriell process, att fylla en lucka i förutsäga lönsamheten av dessa material i en industriellt relvanta inställning.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Photon-aktiv Blend Ink Förberedelse

  1. Väg upp 10 mg av DPPBT polymer och 10 mg PC 71 BM material (kemiska strukturer som visas i figur 1). Blanda dem i en 4 ml flaska.
  2. Tillsätt 1,5 ml kloroform och 75 | j, l av 1,2-diklorbensen i blandningen.
  3. Sätt en liten omrörare i flaskan, stänga flaskan med en polytetrafluoretylen (PTFE) lock och överföra flaskan till en värmeplatta. Rör om vid ~ 400 rpm, och värm vid ~ 50 ° C över natten före användning.

2. ITO och skivsubstratet rengöring och förberedelse

  1. Last pre-mönstrade indiumtennoxid (ITO) glassubstrat (1 tum med 3 inches, med halv bort ITO) eller kiselskiva i en teflon rengöring rack och sätta racket i en glasbehållare (Figur 2). Lägg utspädd tvättmedelslösning (300 ml, 1% universell rengöringslösning) i glasbehållare och sätta glasbehållare i sonikator och sonikera under 15 minuter.
  2. Ta tvättmedel och skölj ITO glas med avjoniserat (DI) vatten ett par gånger. Tillsätt sedan 300 ml DI vatten i behållaren, och satte glasbehållare i sonikator i ytterligare 15 minuter.
  3. Avlägsna vattnet från behållaren. Tillsätt 300 ml aceton in i behållaren, och sonikera under 15 minuter.
  4. Ta bort aceton. Tillsätt 300 ml 2-isopranol in i glasbehållare, och därefter sonikera under 15 minuter.
  5. Flytta rengöring rack ut i en ugn. Sätt ugnen till 100 ° C, och vänta 3-5 timmar tills ITO glaset är helt torr.
  6. Ta ut rengjorda substrat. Överföra dem till en UV-ozon renare eller syrgasplasma renare. Använd kraftfulla UV-ozon eller plasma för att rengöra dem för ~ 15 min enligt tillverkarens protokoll.
  7. Sätt det rengjorda substratet på en spin beläggnings, tillsätt 150 pl poly (3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrensulfonat (PEDOT: PSS) lösning på den rengjorda substratet, och snurra päls vid 3000 rpm för att beläggaen ~ 30 nm tjockt PEDOT: PSS (PEDOT: PSS 4083) tunn film på antingen ITO glas eller kiselskivor.
  8. Ta av spinnbelagda substrat. Överföra de färska belagda substrat på en värmeplatta och glödgning vid 150 ° C under 15 min.

3. Aktiv Layer Printing

  1. Belastning substrat. Sätt PEDOT: PSS belagda ITO-substrat på bottenplattan av mini slot die coater. Slår på vakuumpumpen som är ansluten till vakuumchuck av slitsmunstycket beläggare för att hålla substratet tätt. (Se Figur 3 för att lokalisera olika komponenter.)
  2. Justera positionen av substrat för att uttrycka det rätt under skrivhuvudet. Detta kan göras genom att använda den linjära manipulator under substratplattan.
  3. Justera huvudet luta med 2-D tilt manipulator som håller skrivhuvudet. Se till att huvudet står vertikalt ovanpå den laddade substratet. Notera att i denna process, kan skrivhuvudet sänkas nära substrate. Använda gapet mellan tryckhuvudet och substratet för att visa om huvudet lutas eller inte. Detta kommer att vara mycket användbart när en skivsubstrat används, eftersom en mindre bild av skrivhuvudet kommer att dyka upp och det kommer att bli mycket lättare att kontrollera tipp.
  4. Avstämma huvud-till-substratavståndet till noll. Den vertikala motorn är kopplad med en kraftsensor. När tryckhuvudet är flytande, kommer en konstant kraft avläsning erhållas (från vikten av skrivhuvudet och tiltmanipuleringsaggregat). När skrivhuvudet rör substrat, kommer avläsningen att minska, märkning nolläget. Se figur 4 för inställningen steg avståndet. Använd joggning i avstämning av avståndet.
    OBS: Den vertikala manipulator translationsplattan är ansluten till sin bas med användning av fjädrar och fjäderkonstanten varierar något. Sålunda små förändringar i kraftsensor är oundvikliga under experimentet.
  5. Ställa en huvud-till-substrat värde för att köra experimentet. I detta experiment, ställ inhuvud till substratgapet till 100 ^ m.
  6. Justera den linjära translationell skede motor som kommer att användas för att skriva ut. Hitta startpunkt och slutpunkt. Registrera dessa värden. Rörelsesträckan av den linjära motorn är 100 mm. Här ställer 10 mm motor position som startpunkt och 80 mm motor position som slutpunkten.
  7. Ställ in utskriftshastigheten till 10 mm / sek med hjälp av motorn styra programgränssnitt (Figur 4b). Ställa in motoraccelerationshastigheten till 100 m / sek.
    1. Om motorn inte fungerar eller programvaran har ett fel, starta programmet och klicka på "aktivera" och sedan "hemma" i programvaran gränssnitt. Observera att under tryckprocessen, tryckhuvudet förblir fast och substratet flyttar till fördela lösningen och efterlikna den industriella tryckprocessen.
  8. Belastning DPPBT: PCBM lösning (rumstemperatur) i 1 ml spruta och montera sprutan på sprutpumpen som är ansluten till slitsendie skrivare. Ställ in utskriftsparametrar i styra programvara (spruta diameter och lösning matningshastigheten 0,3 ml / min i det här fallet).
  9. Starta utskriften experimentet.
    1. Flytta substratet till startpunkten genom att skriva startpunkten position i positionsfönstret i att kontrollera programvara. Se figur 4c för mer information.
    2. Börja med att pumpa lösningen i slitsmunstycke huvudet genom att klicka på start i sprutpumpen programvara. Alternativt använda sprutpumpen manuellt. För varje beläggning, kommer cirka ~ 100 | il lösning användas. Normalt använder 300 pl lösning för första gången tryckning och använda ~ 100 | il lösning för upprepad utskrift.
    3. Snabbt starta translationell motorn när lösningen börjar komma ut från skrivhuvudet, och underlaget kommer att flytta till ändläget. Observera att detta är ett kritiskt steg. Förspänning translationsmotorn slutpositionen i positionsfönstret, och klicka på Enter för att starta motorn movement.
    4. Stoppa sprutpumpen och lyft tryckhuvudet med hjälp av vertikala motorn. Stänga av vakuumet av och ta substratet utanför basplattan. Observera att döda volymen för skrivhuvudet är 250 pl, och därmed fylla första gången tar mer än 250 pl lösning.
    5. Ladda det tryckta substratet i en vakuumugn under 3-5 h för att avlägsna kvarvarande lösningsmedel.
    6. Sätta en petriskål under tryckhuvudet. Pump 10 ml kloroform i tryckhuvudet för att rengöra huvudet. Samla in den förorenade kloroformlösningen med petriskål. Använd tops att rengöra skrivhuvudet när man pumpar rengöringslösning. Efter varje beläggningskörning, rengöra skrivhuvudet, speciellt när en annan lösning användes.
      OBS: DPPBT: PCBM lösning visar en mörkgrön färg. När rengörings är klar kan ingen färg ses från kloroform lösningsmedlet.

4. Katod Elektrod Avlagring

  1. laddaaktivt skikt belagda substratet på skuggmasker (figur 5) och montera masken in i förångningskammaren.
  2. Sätt två termiska indunstningssystem båtar mellan elektrodstift (figur 6a). Fyll en båt med LiF salt (knappt täcker båten, ~ 0,2 g) och en båt med aluminiummetall (4 pellets).
  3. Stäng förångningskammaren och pumpa ner förångningskammaren till ca 2 x 10 -6 Torr.
  4. Ställa kammaren för avsättning av ett nm av LiF följt av 100 nm av aluminium. I det aktuella fallet, använder 20% effekt för LiF nedfall och använder 26% effekt för Al nedfall. Som visas i figur 6b är förångaren styrgränssnittet av det system som används i denna studie.
  5. Stoppa evakueringspumpar och fylla kammaren med kvävgas. När trycket återvänder till atmosfärstryck, ta substraten ut.

5. Solceller Performance Measurement

  1. Förbereda en glasskiva som är halvabredden på den ITO glas som används i anordningstillverkning. Genomföra detta steg i en handskbox. Klistra epoxilim på ena sidan av glassubstrat, och täcker enheten området med hjälp av epoxilim belagda objektglas (se Figur 11 för prov enhet). När epoxin har härdat, kommer enheten att vara helt förseglad.
  2. Starta sol simulerings lampan och inställd på AM 1,5 strålning med 100 mW / cm2. Stabilisera lampan i ca 15 minuter före mätningen. Som visas i figur 7 är systemet PV mått som används i denna studie.
  3. Montera enhet under solsimulator på instrumentet föreslagna avståndet. Ansluta anoden och katoden till mätkretsen. Spela in en ström-spänningskurvan med en elektrisk multimeter med hjälp av tillverkarens protokoll.
  4. Bestämma prestandan hos anordningen enligt följande:
    J sc: kortslutningsström, den maximala ström som en solcell enheten kan leverera;
    V oc FF: Fyll faktor, det högsta området IV kurva dividerat med J fm * V oc;
    Effektivitet effektomvandling, J fm * V oc * FF / (100mW / cm2): PCE.

6. Synchroröntgen Mätning

  1. Inrätta en helium låda för att undertrycka luftspridning i röntgenmätning. Montera mini-slitsmunstycke beläggnings i helium rutan. Visas i figur 8 är experimentet av betesinfalls röntgendiffraktion experiment med användning av en helium rutan Advanced Light Source.
  2. Montera en optisk interferometer på tryckpressen för att övervaka tjockleken förändras över den lösningsmedelsindunstning. I detta experiment använda en UVX modell (t.ex. Filmetrix F20). Materialen som används i detta experiment har starkt ljus absorption 300-900 nm våglängd.
    1. Använd en källa lampa optisk interferometer thvid undviker material absorption. Använd en 1,100-1,700 nm våglängd lampa i detta experiment. Pre-kalibrera instrumentet före experimentet efter sina driftsförfaranden.
  3. Sätt PEDOT: PSS belagd skivsubstrat på substrathållaren på skrivaren och justera huvud och substrat läge efter steg 3,2-3,5. Slår på vakuumpumpen och kontrollera att skivsubstratet fastnar på substrathållaren tätt.
  4. Rensa helium rutan för att avlägsna luft. Notera att syrenivån bör vara mindre än 0,3 vol%, vilket kan övervakas genom syresensor.
  5. Rikta substratet vid den position där röntgen infaller på substratet (ändläge vid tryckning), och ställ in infallsvinkeln, 0,16 ° i detta fall. Rikta enligt balk linje protokollet.
  6. Ställa in röntgen exponeringstid och datainsamling metoden. Här använder två sekunder som exponeringstiden, och följdes av tre sekunder av fördröjningstiden (för att undvika server stråle skada). Således varje försöksperioden kommervara 5 sek. Genomför en kontinuerlig kö av 100 upprepningar; därmed ta 100 bilder.
  7. Namnge experimentet och välja datavägen för att spara experimentella filer. Visas i figur 9 är Advanced Light Source beamline 7.3.3 användargränssnitt där de ovan nämnda inställningar enkelt kan lokaliseras.
  8. Flytta substratet till utgångsläget genom att ange startpositionen i motor kontrollerande mjukvara. Starta röntgen slutare och detektorn registreras kontinuerligt diffraktion / spridning signaler.
  9. Starta sprutpumpen för att mata lösning in i tryckhuvudet. När lösningen börjar att mata ut från tryckhuvudet (övervakas av en övervakningskamera), snabbt starta tryckprocessen.
    ANMÄRKNING: När pre-valda mätpositionen nås, kommer 2-D-detektor fånga spridningssignalen från lösning. Skikttjocklek kommer att övervakas av interferometer. Således tunnfilms morfologi evolution kommer att spelas in.
  10. Lyft upp skrivarenhuvud och rengör huvudet när experimentet är klar.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Som visas i figur 3 är den mini-slitsmunstycke beläggningssystem. Den består av en beläggningsmaskin, en sprutpump och en central styrenhet. Beläggningsmaskinen är den väsentliga delen, som är gjord av ett bredslitsmunstycke huvud, en horisontell translationssteget, och en vertikal translationsstadiet. Slitsen munstyckshuvud är monterat till basen på en vertikal translations motor via en 2-D tippnings manipulator. Figur 10a visar skrivarens huvudkropp utan montering tryckhuvudet från vilken 2-D tippnings manipulator markeras. Figur 10b visar monteringen av skrivhuvudet till 2-D tipp manipulator. Figur 10c visar en förstorad bild av skrivhuvudet och bottenplattan. En kraftsensor är inbyggd i den vertikala translationsstadiet. I experiment är den vertikala translationssteget används för att justera huvud-till-substratavståndet, och 2-D tiltmotor används för att justest huvudet för att vara strikt vertikal. Kraftsensorn används för att övervaka vikten hos slitsen munstyckshuvud system. När huvudet nuddar substratet, kommer ett hopp från positiv avläsning till en negativ avläsning observeras, vilket indikerar huvudpositionen. Huvudet flyttas upp till den önskade höjden för att ge en viss klyfta. Under utskrift, är facket munstyckshuvud fast och den nedre horisontella translations scenen flyttas. Med vätska som avges från topp slits, kan en jämn film erhållas. Det bör nämnas att både skrivarhuvud och substratplattan har förfinat temperaturkontrollsystem. Ett temperaturintervall från rumstemperatur till 150 ° C kan användas under utskrift för det här systemet. Figur 11a visar en ITO-substrat belagt med konjugerad polymer: PCBM blandningar. Filmen är ganska jämn visuellt. Det bör noteras att i början och slutet av den belagda filmen är inte alltid enhetlig, på grund av att den formade menisken och torkningen från kanterna. Om SU bstrate är tillräckligt lång eller om underlaget är belagt på ett kontinuerligt sätt (som med en R2R skrivare), kan denna fråga lösas.

Nybelagda substratet (glas / ITO / PEDOT: PSS / aktiva skiktet) överföres till en vakuumugn under en kort period och sedan lastas in i skuggmasker. Masken laddas i indunstare till insättning katod tunt lager. Visas i fig 5 är en skuggmask som används i experimentet. Figur 11b visar en färdig enhet efter katodskiktet nedfall. Enhetens prestanda mäts med en solsimulator under 100 mW / cm 02:00 1,5 tillstånd. Som visas i figur 12 är en representativ ström-spänningskurva för en mini-slitsmunstycke belagda anordningen. En genomsnittlig verkningsgrad på 5,2% effektomvandlings uppnås för slitsmunstycke belagda enheter, som ligger nära den som uppnås genom spinnbeläggning (~ 5,6% PCE).

1 "> In situ GIXD och GISAXS experiment är användbara metoder för att spåra morfologi utvecklingen av den tryckta BHJ bläck. Polymeren kristallisering kan spåras av GIXD experiment och fasseparation kan spåras genom GISAXS. I experiment, mini-slot dö beläggnings är monterad på en goniometer inuti helium box (Figur 13). kommer kabel~~POS=TRUNC anslutningen~~POS=HEADCOMP kopplas ihop och därmed kan instrumenten drivas utanför synkrotron hutch. visas i figur 14 är den driftcentral vid röntgen beamline . styr det övre vänstra dator strålröret parametrar; centraldatorn är beamline drift gränssnitt som styr röntgen slutare och register data, den vänstra datorn är den analoga fönster för två övervakningskamera inne i buren, en fokuserar på provposition och en fokuserar på spel munstyckshuvud slits och därmed kan övervaka lösning status, det nedre vänstra datorn kör horisontell och vertikal translations stage motor programvara och programvara sprutpump kontroll. Som visas i figur 15 är en typisk in situ-strykande förekomst liten vinkel scattering experiment under lösningsmedelstorkning. Tidsutvecklingen är färgkodad. I tidigare skede av torkning (ett överskott av lösningsmedel funnits), är en röd spridningskurva sett, och blandningar blandas väl. En spridning topp gradvis utvecklats till cirka 0,02 A -1, vilket indikerar en ~ 60 nm av fasseparation. Denna information, när den kombineras med in situ GIXD resultat, berättar kinetiken av polymerkristallisation och fasseparation.

Figur 1
Figur 1: Kemisk struktur för konjugerad polymer DPPBT och kemiskt modifierade fulleren PC 71 BM användes i denna studie. var god klickahär för att se en större version av denna siffra.

figur 2
Figur 2: 1/3 bort ITO-substrat och teflon rack som används i ITO fönsterputsning. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 3
Figur 3: (a) huvuddelen av Mini-slitsmunstycke beläggnings. Tryckhuvudet är monterat på den vridbara manipulatorn. De två rattarna ovanför slitsformhuvudet används för att bara luta hos skrivhuvudet. En rund form stegmotor är monterad vertikalt för att åstadkomma vertikal rörelse hos skrivhuvudet. Den huvudsakliga horisontella translationssteg är monterad på baskortet för att tillhandahålla linjärrörelse för att belägga filmen. Både skrivhuvud och substratbasen kan värmas. (B) Kontrollbox med sprutpump monterad ovanpå. Den vänstra kuben är styrenheten för vertikal motor; mitt kuben är den horisontella motorstyrning; rätt tre paneler är temperaturkontroll för huvudet (överst), temperaturkontroll för basen (mitten), och kraftsensorn. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

figur 4
Figur 4: Mini-slot dö skrivare motor kontrollerande mjukvarugränssnitt. (A) Huvudprogramvarugränssnitt: den vertikala stegmotorn kontrollerande mjukvaran är på toppen och linjär translations motor programvara är i botten; (B) hastighetsinställning och accelerationinställning gränssnitt för både vertikal och horisontell translations motor; (C) positionsinställning för horisontell translationsmotor. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

figur 5
Figur 5: Shadow mask som används i katodskiktet nedfall. Anordningssubstrat kommer att laddas in i den skurna området av masken. Masken kommer att monteras på förångningskammaren, och elektrodmetall kommer att deponeras genom de skurna rektangulära fälten. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

figur 6 <br /> Figur 6: (a) förångare och elektrod dubbar layout. I drift kommer tantalmetall båt monteras i-mellan elektrod dubbar. Elektrod metall kommer att laddas i båten; och elektrisk ström kommer att värma båten till termiskt avdunsta elektrodmetallen. (B) förångare styrgränssnittet. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

figur 7
Figur 7: Systemet solceller mätstandard. (A) solsimulator; (B) solsimulator controller; (C) solsimulator flödesregulator. Klicka här för att se en större version av den här figuren.

Figur 8
Figur 8: Bete incidens röntgendiffraktionsdata experiment med användning av helium box. Helium boxen används för att generera en experimentell atmosfär som har mindre luftspridning. Slitsmunstycke skrivaren är installerad inuti helium rutan under experimentet. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

figur 9
Figur 9: Den synkrotron beamline programvarustyrgränssnittet. Detta gränssnitt styr strålröret experimentet. Den vänstra panelen används för att rikta prov; den högra panelen styr röntgen exponeringstid, experimentets namn, och visar spridningssignalen. : //ecsource.jove.com/files/ftp_upload/53710/53710fig9large.jpg "Target =" _ blank "> Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 10
Figur 10: Mini-slitsmunstycke skrivare stora delar förstoras. (A) huvuddelen av slitsmunstycket beläggare. En vertikal motorn är kopplad med en belastningsmätare kraftsensor och integreras på en vertikal manipulator. A 2-D tippnings manipulator är monterad på den vertikala manipulator. (B) Skrivaren huvud som är monterad på 2-D tippnings manipulator. (C) Zooma in bilden av skrivhuvudet. Huvudet är mycket nära basplattan vid denna punkt. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

re 11 "src =" / filer / ftp_upload / 53.710 / 53710fig11.jpg "/>
Figur 11: Photon aktiva lagret belagt substrat (till vänster) och avslutade enheter efter katodskiktet nedfall (höger). Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 12
Figur 12: ström-spänningskurva för slitsmunstycke belagda anordningen. Kortslutningsström, kan öppna kretsspänningen avläsas från kurvan-axel avlyssningar. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 13
Figur 13: strong> Mini-slitsmunstycke beläggnings laddad inuti helium rutan synkrotronljus station. (A) framifrån; (B) från sidan. Optisk interferometer är monterad för att övervaka tjockleken av den belagda filmen. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 14
Figur 14: Kontroll system av in-situ mini slitsmunstycke beläggning experiment i Advanced Light Source beamline 7.3.3. Varje gränssnitt är märkt i figuren. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

3710fig15.jpg "/>
Figur 15: Typisk GISAXS morfologi evolution. Kurvan montering är nödvändig för att fått information av fas separationer. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Den metod som beskrivs här fokuserar på att utveckla en film framställningsmetod som lätt kan skalas upp i industriell produktion. Tunnfilms utskrift och synkrotronljus morfologi karakterisering är de mest kritiska stegen med protokollet. I tidigare lab skalas OPV forskning är spinnbeläggning används som den dominerande metoden att tillverka tunnfilmsanordningar. Emellertid använder denna process höga centrifugkraft för att sprida ut BHJ lösning, som är helt annorlunda från industriellt baserad roll-to-roll tillverkning. Således den kunskap och erfarenhet som erhållits från spinnbeläggning studien inte kan överföras direkt till stort område Komponentframställning. Mini-slitsmunstycke bestrykningsanordning som presenteras i de aktuella studierna är besläktad med den industriella filmbeläggningsanordning och därmed kommer att vara idealisk för pre-industriell provning. Parametrar som styr film morfologi, som motsvarar enhetsprestanda måste på nytt. Materialkostnaden i mini-slitsmunstycke beläggningen är minimal och såledesstor mängd enhetstillverkningsbetingelser kan optimeras.

En synkrotron mätning används för att bestämma morfologin evolutionen av bulk heteroövergång (BHJ) solcell tunna filmer. Vi utför betande förekomst röntgendiffraktion (GIXD) och betande förekomst röntgenspridning (GISAXS) att övervaka utvecklingen av strukturen. Den är idealisk för att köra dessa två experiment tillsammans. Om det inte är möjligt, kan de göras separat. Den enda skillnaden mellan GIXD och GISAXS är provet till detektor avstånd, och därmed vi bara beskriva detaljerna experiment gång. PEDOT: PSS belagda kiselskivor kommer att användas som beläggning av substrat. Tryckprocessen är den samma som den process för anordningstillverkning. Det är viktigt att skrivaren position på substratet väl beräknad för att säkerställa att rätt q området kan nås och substratet startpunkt och slutpunkt kan utsättas för röntgenstrålar. Notera också att i GIXD experimentet provet till detektor distaiou är små, och detektorn är monterad ganska nära helium rutan. I GISAXS experimentet, är en flygande röret nödvändigt att reducera luftspridning eftersom det prov-till-detektor avståndet är ganska stort (~ 4 m i detta experiment inställning). Observera att både GIXD och GISAXS mätningar görs vid slutpositionen. När tryckningsprocessen når slutpositionen, stoppar den linjära translationsmotorn, och kontinuerlig röntgenstrålespridning / diffraktion data genereras. Observera att reseavståndet för den linjära translationell steget är 10 cm. Vid startpositionen, är substratet långt från röntgenstrålen, och endast kan sändningssignalen på bakgrunden registreras i röntgenstråledetektorn 2-D. När substratet förflyttas till mätpositionen kommer den att byta från växellådan scattering till strykande förekomst spridning, och denna övergång kan användas som startmarkören av experimentet.

Den lilla storleken på mini-slot die coater är väl lämpad för r ORSKNING laboratorieanvändning. Konsumtionen av fotoaktiva material är ganska låg. Normalt kan 10 mg konjugerad polymer göra 1-2 ml lösning. Dödvolymen i tryckhuvudet är cirka 0,25 ml. I varje beläggnings experiment ~ 0,1 ml används. Sålunda är denna nya metod effektiva med materialåtgången. Normalt 100-200 mg av material kommer att vara tillräckligt för att screena ett stort matris av processförhållanden, såsom blandningsförhållandet, lösningsmedel val, termisk glödgning, vilket mini-slot dö beläggning en effektiv metod i nya material screening. Under tryck experiment, se till att sprutpumpen inte överskrider dess gräns. Rengör huvudet ordentligt för att göra sig av med fast uppbyggd inne i huvudet slitsar; annars kommer det att orsaka stopp i systemet. Vid byte från en lösning till en annan, utföra en grundlig rengöring; annars korskontaminering kan inträffa. Fotonen aktiv polymer visar dess distinkt färg, vilken kan användas som en indikator som huruvida huvudet är helt rengjord eller inte.

ve_content "> Mini-slitsmunstycke beläggnings kan användas inom olika områden relaterade till tunnfilmsbearbetning. I OPV heter med, kan nya parametrar inkluderas. Till exempel slitsmunstycket huvudtemperaturen kan styras, och därmed en het lösning beläggning . kan uppnås underlaget kan också vara uppvärmd,.. alltså lösningsmedelsavdunstningshastighet kan finjusteras kan olika beläggningshastigheter också användas för att variera skjuvhastigheten att styra morfologin i aktuella experiment, bara den enklaste experiment med en hårt substrat demonstreras. Plast ledande substrat kan också användas för att tillverka flexibla enheter. Jämfört med spinnbeläggning, ger mini-slitsmunstycke beläggning en bearbetning som liknar industriell tillverkning, vilket är kritiskt i att hjälpa optimera industrialisering av OPV-tekniken. en stor begränsning med denna teknik är att anordningen tillverkningen inte kan vara kontinuerlig, vilket skulle behöva en roll-to-roll-beläggningsmaskin. emellertid mini-slitsmunstycke beläggning kan snabbtoptimera bearbetningsförhållandena och snabbt material screening. Dessa observationer ger användbara insikter för rulle-till-rulle stor panel produktion.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
PC71BM Nano-C Inc nano-c-PCBM-SF
DPPBT The University of Massachusetts Custom Made
PEDOT:PSS Heraeus P VP Al 4083
Mucasol Liquid Cleaner Sigma-Aldrich Z637181
Acetone Sigma-Aldrich 270725
Isopropyl Alcohol BDH BDH1133
Chloroform Sigma-Aldrich 372978 
1,2-dichlorobenzene Sigma-Aldrich 240664
Lithium fluoride Sigma-Aldrich 669431
Aluminum Kurt Lesker EVMAL50QXHD
Glass vials Fisher Scientific 03-391-7B
Ultrasonic Cleaner Cleanosonic Branson 2800
Oven WVR 414005-118
Cleaning Rack Lawrence Berkeley National Lab Custom Made
Shadow Mask Lawrence Berkeley National Lab Custom Made
UV-Ozone Cleaner UVOCS INC T16X16 OES
Glove Box MBraun Custom Made
Evaporator MBraun Custom Made
Slot Die Coater Jema Science Inc Custom Made
Solar Simulator Newport Class ABB
Spin Coater SCS Equipment SCS G3
Hot Plate Thermo Scientific SP131015Q
X-ray Measurement Lawrence Berkeley National Lab Beamline 7.3.3

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

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

    Video Stats