Udskrivning Fabrikation af Bulk heterojunction solceller og
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

Her præsenterer vi en protokol til at fabrikere organisk tyndfilm solceller ved hjælp af en mini-slot die coater og relaterede in-line struktur karakteriseringer hjælp synkrotron spredningsteknikker.

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

Organiske solceller (OPV) er en lovende teknologi til at producere omkostningseffektive vedvarende energikilder i den nærmeste fremtid. Der er foretaget 1, 2, 3 enorme indsats for at udvikle foto-aktive polymerer og fabrikere høje enheder effektivitet. Til dato har enkelt lag OPV enheder opnået en> 10% effekt virkningsgrad (PCE). Disse effektivitetsgevinster er opnået på laboratorieskala enheder ved hjælp af spin-belægning for at generere film og oversættelse til større størrelse skala enheder har været fyldt med betydelige reduktioner i PCE. 4, 5 I industrien roll-to-roll (R2R) baseret tynd film coating anvendes til at generere foton aktive tynde film på ledende substrater, som er helt forskellige fra typiske laboratorieskala processer, især i hastigheden af fjernelse af opløsningsmiddel. Dette er kritisk, da de morfologier er kinetisk fanget som følge af samspillet mellem flere kinetiske processer, herunder faseadskillelse, bestilling, orientering og fordampning af opløsningsmidlet. 6, 7 Denne kinetisk fanget morfologi, dog bestemmer stort set udførelsen af de solcelle-enheder. Således forstå udviklingen i morfologien under belægningsprocessen er af stor betydning for at manipulere morfologien for således at optimere ydeevnen.

Optimeringen af ​​morfologien kræver forståelse kinetikken forbundet med bestilling af hullet-ledende polymer i opløsning som opløsningsmiddel fjernes; 8, 9 kvantificering interaktionerne af polymeren med fulleren-baserede elektron leder; 10, 11, 12 forståelse roller tilsætningsstoffer i at definere morphology; 13, 14, 15 og balancering de relative afdampning af opløsningsmidlet (er) og additiver. 16. Det har været en udfordring at karakterisere udviklingen af morfologi kvantitativt i det aktive lag i en industrielt relevant indstilling. Rulle-til-rulle behandling er blevet undersøgt til fremstilling af skalaen OPV enheder store. 4, 17 Imidlertid blev disse undersøgelser udført i en indstilling fremstilling, hvor der anvendes store mængder af materialer, der effektivt begrænser undersøgelser med kommercielt tilgængelige polymerer.

I dette papir, er de tekniske detaljer i opdigte OPV enheder ved hjælp af en mini-slot die coating systemet demonstreret. Coating parametre såsom film tørring kinetik og kontrol lagtykkelse gælder for større skala processer, hvilket gør denne undersøgelse direkte relateret til industrien fabrication. Desuden er en meget lille mængde materiale, der anvendes i mini slot die coating eksperiment, hvilket gør denne behandling gældende for nye syntetiske materialer. I design, kan denne mini-slot die coater monteres på synkrotron ende stationer, og dermed strejfende indfald lille vinkel røntgenspredning (GISAXS) og røntgendiffraktion (GIXD) kan anvendes til at muliggøre real-time undersøgelser af udviklingen af morfologien over et bredt område af længden skalaer på forskellige stadier af filmen tørringsproces under en række procesbetingelser. Information opnået i disse studier kan overføres direkte til en industriel indstilling produktion. Den lille mængde anvendte materialer muliggør en hurtig screening af et stort antal fotoaktive materialer og deres blandinger under forskellige procesbetingelser.

Den semikrystallinske diketopyrrolopyrrol og quaterthiophene (DPPBT) baseret lav band konjugeret polymer anvendes som model donor materiale, og (6,6) -phenyl C71-butyric-methylester (PC 71 BM) anvendes som den elektroniske acceptor. 18, 19 Det er vist i tidligere undersøgelser, der DPPBT: PC 71 BM blandinger danner store størrelse faseadskillelse ved brug af chloroform som opløsningsmidlet. En chloroform: blanding 1,2-dichlorbenzen opløsningsmiddel kan reducere størrelsen af ​​faseadskillelse og dermed øge enhedens ydeevne. Morfologien dannelse under opløsningsmidlet tørreprocessen undersøges in situ ved strejfende indfald røntgendiffraktion og spredning. Solcelle indretninger fremstillet ved hjælp af mini-slot die coater viste en gennemsnitlig PCE på 5,2% under anvendelse af de bedste opløsningsmiddelblanding betingelser, 20, der svarer til spin-coating fabrikerede enheder. Mini-slot die coater åbner en ny rute til at fabrikere solcelle-enheder i et forskningslaboratorium indstilling, der efterligner en industriel proces, udfylde et hul i forudsige levedygtighed af disse materialer i en industrielt relvante omgivelser.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Photon-aktive blanding Ink Fremstilling

  1. Afvej 10 mg DPPBT polymer og 10 mg PC 71 BM materiale (kemiske strukturer er vist i figur 1). Bland dem i en 4 ml hætteglas.
  2. Tilføj 1,5 ml chloroform og 75 pi af 1,2-dichlorbenzen i blandingen.
  3. Sætte en lille omrører i hætteglasset, luk kuvetten med en polytetrafluorethylen (PTFE) hætte og overføre hætteglasset til en varmeplade. Der omrøres ved ~ 400 rpm, og opvarm til ~ 50 ° C natten før brug.

2. ITO og Wafer Substrat Rengøring og klargøring

  1. Belastning pre-mønstrede indiumtinoxid (ITO) glassubstrat (1 inch 3 inches, med halvdelen fjernet ITO) eller siliciumwafer i en Teflon rengøring rack og sætte stativet i en glasbeholder (figur 2). Tilføj fortyndet rengøringsmiddel (300 ml, 1% universal rengøringsmiddel) i glasbeholderen og sætte glasbeholderen i sonikator og soniker i 15 min.
  2. Fjern opvaskemiddel og skyl ITO glas med deioniseret (DI) vand et par gange. Derefter tilsættes 300 ml DI-vand i beholderen, og satte glasbeholder i sonikator i yderligere 15 minutter.
  3. Fjerne vandet fra beholderen. Tilsæt 300 ml acetone ind i beholderen, og sonikeres i 15 minutter.
  4. Fjern acetone. Tilsæt 300 ml 2-isopranol i glasbeholderen, og derefter sonikeres i 15 minutter.
  5. Flyt rengøring rack ud i en ovn. Sæt ovnen til 100 ° C, og vent 3-5 timer, indtil ITO glas er helt tørt.
  6. Tag rengjorte underlag. Overfør dem til en UV-ozon renere eller ilt plasma renere. Brug high-drevne UV-ozon eller plasma for at rense dem for ~ 15 min efter producentens protokol.
  7. Sæt den rensede substrat på en spin-coater, tilsættes 150 ul poly (3,4-ethylenedioxythiophene) polystyren sulfonat (PEDOT: PSS) løsning på den rensede substrat, og spin-coat ved 3.000 rpm til pelsa ~ 30 nm tyk PEDOT: PSS (PEDOT: PSS 4083) tynd film på enten ITO glas eller silicium wafers.
  8. Tag spin-substrater. Overfør de friske bærere på en varmeplade og annealer ved 150 ° C i 15 min.

3. Aktiv Layer Printing

  1. Load substrat. Sætte PEDOT: PSS belagt ITO substrat, på bundpladen af ​​mini slot die coater. Tænd vakuumpumpen, der er forbundet til vakuum borepatron af spalten die coater at holde substratet fast. (Se figur 3 for at lokalisere forskellige komponenter.)
  2. Juster placeringen af ​​substrat at sætte det lige under printer hoved. Dette kan gøres ved hjælp af lineære manipulator under underlagspladen.
  3. Juster hovedet vippe ved hjælp af 2-D vippe manipulator, der holder print hovedet. Sørg for, at hovedet står lodret oven på den belastede substrat. Bemærk, at i denne proces, kan trykkehovedet blive sænket tæt på substrate. Brug kløften mellem printerhoved og substrat at vise, om hovedet er vippet eller ej. Dette vil være særdeles nyttig, når der anvendes en wafer-substrat, idet en mindre billede af trykkehovedet vil dukke op, og det vil være meget lettere at kontrollere vipning.
  4. Tune head-to-substrat afstand til nul. Den lodrette motor er koblet med en kraft sensor. Når udskrivningen hoved flyder, vil en konstant kraft aflæsning opnået (fra vægten af ​​udskrivning hovedet og vippe manipulator forsamlinger). Når printeren hoved rører underlaget, vil aflæsningen reducere, markerer positionen nul. Se figur 4 for indstillingen trin afstand. Brug jog mode i tuning afstanden.
    BEMÆRK: Den lodrette manipulator translationelle plade er forbundet til sin base ved hjælp fjedre og fjederkonstanten varierer lidt. Således små ændringer i kraftsensor er uundgåelige under eksperimentet.
  5. Indstil en head-to-substrat værdi til at køre eksperimentet. I dette eksperiment indstillehoved til substrat hul til 100 um.
  6. Juster den lineære translationel fase motor, der skal bruges til at udskrive. Find udgangspunktet og slutpunktet. Optag disse værdier. Den længde af den lineære motor er 100 mm. Her, sæt 10 mm motor position som udgangspunkt og 80 mm motor position som slutpunktet.
  7. Indstil udskrivningshastighed til 10 mm / s ved hjælp af motoren kontrollerende software interface (figur 4b). Indstil motorens acceleration hastighed til 100 m / sek.
    1. Hvis motoren ikke fungerer korrekt, eller software har en fejl, skal du genstarte softwaren og klik på "aktivere" og derefter "hjem" i software interface. Bemærk, at under udskrivning proces, trykkehovedet forbliver fast og substratet bevæger at dispensere opløsning og efterligne den industrielle trykprocessen.
  8. Load DPPBT: PCBM opløsning (stuetemperatur) i 1 ml sprøjte og montere sprøjten til sprøjtepumpen, der er forbundet med spaltendie printer. Indstil udskrivning parametre i kontrollerende software (sprøjte diameter og løsning fodring hastighed, 0,3 ml / min i dette tilfælde).
  9. Start udskrivning eksperimentet.
    1. Flyt substratet til startpunktet ved at skrive udgangspunktet position i position vindue i kontrollerende software. Se figur 4c for detaljer.
    2. Begynd at pumpe opløsningen ned slot skærehoved ved at klikke på start i sprøjtepumpen software. Alternativt manuelt betjene sprøjtepumpe. For hvert overtræk, vil omkring ~ 100 pi opløsning anvendes. Normalt bruger 300 pi løsning for første gang trykning og bruge ~ 100 pi løsning til gentagen udskrivning.
    3. Hurtigt starte translationel motoren, når løsningen begynder at komme ud fra trykkeriet hoved, og underlaget vil flytte til slutposition. Bemærk venligst at dette er et afgørende skridt. Forudindlæs translationel motor slutter position i position vinduet, og klik på enter for at starte motoren movement.
    4. Stop sprøjtepumpen og løft printhoved ved hjælp af lodrette motor. Tænd for vakuumet fra og tage substratet off bundpladen. Bemærk, at den døde volumen for denne print hoved er 250 pi, og således fylde første gang tager mere end 250 pi opløsning.
    5. Indlæse trykte substrat i en vakuumovn i 3-5 timer for at fjerne resterende opløsningsmiddel.
    6. Sæt en petriskål under udskrivning hovedet. Pumpe 10 ml chloroform i trykkehovedet at rense hovedet. Opsaml kontamineret chloroformopløsning med petriskålen. Brug vatpinde til at rense print hovedet, mens pumpe rengøringsmiddel. Efter hver belægning køre, rense trykning hovedet, især når der anvendes en anden løsning.
      BEMÆRK: DPPBT: PCBM løsning viser en mørk grøn farve. Når rengøringen er afsluttet, kan ingen farve ses fra chloroform opløsningsmiddel.

4. Katode Elektrode Deposition

  1. Lægaktive lag overtrukket substrat, på shadow masker (figur 5) og montere masken ind i fordampningskammeret.
  2. Put to termiske fordampning bådene i mellem elektrode studs (Figur 6a). Læg en båd med LiF salt (knap dækker båden, ~ 0,2 g) og en båd med aluminium metal (4 piller).
  3. Luk evaporationskammeret og pumpe ned fordampningskammeret til ca. 2 x 10 -6 Torr.
  4. Indstil kammeret til at deponere 1 nm af LIF efterfulgt af 100 nm af aluminium. I den aktuelle sag, bruger 20% strøm til LiF aflejring og bruger 26% strøm til Al deposition. Vist i figur 6b er fordamperen kontrol interface af systemet anvendes i denne undersøgelse.
  5. Stop evakuering pumper og fylde kammeret med nitrogen gas. Når trykket vender tilbage til atmosfæretryk, tage substraterne ud.

5. solcelle Performance Measurement

  1. Forbered et objektglas, der er halvtbredde af ITO glas, der anvendes i indretningen fabrikation. Udfør dette trin i en handskerummet. Indsæt epoxylim til den ene side af glassubstratet, og dække enheden område ved hjælp af epoxylim coatede objektglas (se figur 11 for prøve enhed). Når epoxyen er hærdet, vil enheden blive fuldstændig forseglet.
  2. Start sol simulation lampe og sat til AM 1,5 stråling med 100 mW / cm2. Stabiliser lampen i ca. 15 min før måling. Vist i figur 7 er PV målesystem anvendt i denne undersøgelse.
  3. Monter enheden under sol simulator på instrumentet foreslået afstand. Tilslut anoden og katoden til målekredsløbet. Optag en strøm-spænding kurve ved hjælp af en elektrisk multimeter hjælp producentens protokol.
  4. Bestemmer ydeevnen af ​​indretningen som følger:
    J sc: kortslutningsstrøm, den maksimale strøm, at en solcelle-enhed kan levere;
    V oc FF: fyld faktor, det maksimale areal i IV kurve divideret med J fm * V oc;
    PCE: power konvertering effektivitet, J fm * V oc * FF / (100 mW / cm2).

6. Synchrotronbestrålingscenter røntgen Måling

  1. Opsæt en helium boks til at undertrykke luft spredning i X-ray måling. Monter mini-slot die coater ind i helium feltet. Vist i Figur 8 er eksperimentet opsætning af græsning forekomst røntgendiffraktion forsøg med en helium boks i Advanced Light Source.
  2. Montere en optisk interferometer på trykmaskinen at overvåge ændringen tykkelse over opløsningsmiddelafdampning. I dette eksperiment bruge en UVX model (f.eks Filmetrix F20). De materialer, der anvendes i dette forsøg har stærkt lys absorption fra 300-900 nm bølgelængde.
    1. Brug en kilde lampe optisk interferometer thved undgår væsentlig absorption. Brug en 1,100-1,700 nm lampe i dette eksperiment. Pre-kalibrere instrumentet før eksperimentet efter sine drift procedurer.
  3. Sæt PEDOT: PSS belagt wafer substrat på substrat indehaver af printeren, og justere placeringen hoved og substrat efter trin 3,2-3,5. Tænd vakuumpumpen, og sørg for, at wafer substrat klæber til indehaveren underlaget stramt.
  4. Rense helium boksen for at fjerne luft. Bemærk, at oxygenniveauet bør være mindre end 0,3 vol%, hvilket kan overvåges ved oxygensensor.
  5. Juster substratet ved den position, hvor X-ray indvirker på substratet (slutpositionen i udskrivning), og indstille indfaldsvinklen, 0,16 ° i det foreliggende tilfælde. Juster efter stråle-line-protokol.
  6. Sæt X-ray eksponeringstid og data overtagelsesmetoden. Her bruge 2 sek som eksponeringstiden, og efterfulgt af 3 sek af forsinkelse (for at undgå server stråle skader). Således hvert eksperiment periode vilvære 5 sek. Udfør en kontinuerlig kø på 100 gentagelser; dermed tage 100 billeder.
  7. Navngiv eksperimentet og vælge de data vej til at gemme eksperimentelle filer. Vist i figur 9 er Advanced Light Source beamline 7.3.3 brugergrænseflade, hvor de ovennævnte indstillinger kan nemt placeret.
  8. Flyt substratet til startpositionen ved at indtaste startpositionen i motorisk kontrol af software. Start X-ray lukker og detektoren vil løbende registrere diffraktion / spredning signaler.
  9. Start sprøjtepumpen til foder opløsning ind printhoved. Når løsningen begynder at skubbe fra trykkeriet hovedet (overvåges af et overvågningskamera), hurtigt starte udskrivningen.
    BEMÆRK: Når pre-valgte måling er nået, vil 2-D detektor fange spredning signalet fra opløsningen. Lagtykkelse vil blive overvåget af interferometer. Således den tynde film morfologi evolution vil blive registreret.
  10. Løft printerenhoved og rengør hoved, når eksperimentet er færdig.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Vist i figur 3 er den mini-slot die coating system. Den består af en belægning maskine, en sprøjtepumpe og en central kontrolboks. Belægningen maskine er den væsentlige del, som er fremstillet af en spalte skærehoved, en horisontal translationel fase, og en lodret translatorisk fase. Spalten skærehoved er monteret på bunden af ​​en lodret translatorisk motor gennem en 2-D vipning manipulator. Figur 10a viser printerens hovedlegeme uden montering trykkehovedet hvorfra 2-D vippende manipulator er fremhævet. Figur 10b viser monteringen af trykkehovedet til 2-D vipning manipulator. Figur 10c viser et forstørret billede af trykning hoved og bundpladen. En kraft sensor er indbygget i den lodrette translationelle fase. I eksperimenter, er den lodrette translationelle fase anvendes til at justere head-to-substrat afstand, og 2-D vippe motor anvendes til adjust hovedet for at være strengt lodret. Kraften sensor anvendes til at overvåge vægten af ​​spalten skærehoved system. Når hovedet rører underlaget, vil et hop fra positiv læsning til en negativ aflæsning bemærkes, angivelse af hovedets stilling. Hovedet bevæges op til den ønskede højde for at give en vis afstand. Under udskrivning slot skærehoved er fast og de nederste vandrette translationel etape bevæger sig. Med væske, der dispenseres fra hoved spalte, kan der opnås en ensartet film. Det skal nævnes, at både printer hoved og underlagspladen har raffineret temperatur kontrolsystemer. Et temperaturområde fra stuetemperatur til 150 ° C kan anvendes under trykning for dette system. Figur 11a viser en ITO substrat overtrukket med konjugeret polymer: PCBM blandinger. Filmen er ganske glat visuelt. Det skal bemærkes, at begyndelsen og slutningen af ​​den coatede film er ikke altid ensartet, på grund af den dannede menisken og tørringen fra kanterne. Hvis SU'en bstrate er lang nok, eller hvis substratet er overtrukket på en kontinuerlig måde (som med en R2R printer), kan dette problem løses.

Frisk substrat (glas / ITO / PEDOT: PSS / aktive lag) overføres til en vakuumovn over en kort periode og derefter indlæses i skygge masker. Masken er indlæst i fordamperen til deponering katode tyndt lag. Vist i figur 5 er en skygge maske, der er anvendt i eksperimentet. Figur 11b viser en færdig enhed efter katodelaget deposition. Enhedens ydeevne den måles ved anvendelse af en solsimulator under 100 mW / cm 02:00 1,5 tilstand. Vist i figur 12 er et repræsentativt strøm-spænding-kurve af en mini-slot die coatede anordning. En gennemsnitlig effekt virkningsgrad på 5,2% er opnået for spilleautomater die coatede enheder, hvilket er tæt på der opnås ved spin-coating (~ 5,6% PCE).

1 "> In situ GIXD og GISAXS eksperimenter er nyttige metoder til at spore morfologi evolution af den trykte BHJ blæk. Polymer krystallisering kan spores af GIXD eksperimentet og faseadskillelse kan spores af GISAXS. I forsøg, mini-slot die coater er monteret på en vinkelmåler inde i helium boks (Figur 13). kablet forbindelse vil blive parret og dermed kan instrumenterne betjenes uden for synkrotron- Hutch. Vist i figur 14 er operativsystemet center på X-ray beamline . det øverste venstre styrer computeren beamline parametre den centrale computer er beamline betjeningsflade der styrer røntgen lukker og optegnelser data venstre computer er den analoge vindue for to overvågningskamera inde i bur, man fokuserer på prøven position og man fokuserer på slot skærehoved slids og dermed kan overvåge løsningen status nederst til venstre computer kører vandret og lodret translationel hjorte motor software og sprøjtepumpe kontrol software. Vist i figur 15 er et typisk in situ strejfende indfald lille vinkel spredning eksperiment under opløsningsmiddel tørring. Tidsudviklingen er farvekodet. I den tidligere fase af tørring (et overskud af opløsningsmiddel eksisterede), er en rød spredning kurve set, og blandinger blandes godt. En spredning peak gradvist udviklet på omkring 0,02 A -1, hvilket indikerer en ~ 60 nm af faseadskillelse. Disse oplysninger, når kombineret med situ GIXD resultater i, vil fortælle os, kinetik polymer krystallisering og faseadskillelse.

figur 1
Figur 1: Kemisk struktur af konjugeret polymer DPPBT og kemisk modificerede fulleren PC 71 BM anvendt i denne undersøgelse. klikher for at se en større version af dette tal.

Figur 2
Figur 2: 1/3 fjernet ITO substrater og Teflon rack anvendes i ITO glas rengøring. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 3
Figur 3: (a) Hoveddel af Mini-slot die coater. Trykningen hoved er monteret på vippe manipulator. De to knapper over spalten skærehoved anvendes til blot at vippe af printerhovedet. En rund form stepmotor er monteret lodret for at tilvejebringe lodret bevægelse af printerhovedet. Den vigtigste horisontale forskydningstrin er monteret på fodpanelet at tilvejebringe lineærbevægelse at belægge filmen. Både trykning hoved og substratbasis kan opvarmes. (B) kontrolboks med sprøjtepumpe monteret oven. Den venstre terning er styreenheden for lodret motor; den midterste terning er den vandrette motorstyringen; de rette tre paneler er temperaturregulatoren for hovedet (øverst), temperaturregulator for basen (midten), og kraftsensor. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 4
Figur 4: Mini-slot die printer motor kontrollerende software interfaces. (A) Main software interface: den lodrette stepmotor kontrollerende software er på toppen og lineære translationel motor software er i bunden; (B) indstilling hastighed og accelerationindstilling interface til både lodret og vandret translationel motor; (C) position indstilling for horisontal translationel motor. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 5
Figur 5: Shadow maske brugt i katodelaget deposition. Device substrater vil blive indlæst i skærefladen af ​​masken. Masken vil blive monteret på fordampningskammeret, og elektrode metal vil blive deponeret gennem udskæringen rektangel områder. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 6 <br /> Figur 6: (a) Fordamper og elektrodematerialer studs layout. Under drift vil tantalmetal båd monteres i-mellem elektrodeholdere studs. Elektrode metal vil blive lagt i båden; og elektrisk strøm vil opvarme båden til termisk fordampe elektrode metal. (B) Fordamper kontrol interface. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 7
Figur 7: Standard solcelle målesystem. (A) Solar simulator; (B) Solar simulator controller; (C) solsimulator flux controller. Klik her for at se en større udgave af dette tal.

Figur 8
Figur 8: Græssende forekomst røntgendiffraktion forsøg med helium kassen. Helium boks anvendes til at generere en eksperimentel atmosfære, der har mindre luft spredning. Slot die printeren er installeret inde i helium boksen under eksperimentet. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 9
Figur 9: Den synkrotron beamline kontrol software interface. Denne grænseflade styrer beamline eksperimentet. Det venstre panel bruges til at justere prøver; højre panel styrer røntgen eksponeringstid, eksperimentnavnet, og viser spredningen signal. : //ecsource.jove.com/files/ftp_upload/53710/53710fig9large.jpg "Target =" _ blank "> Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 10
Figur 10: Mini-slot die printer store dele forstørret. (A) Hoveddel af slot die coater. En lodret motor er koblet til en belastningscelle force sensor og integreret på en lodret manipulator. En 2-D vippende manipulator er monteret på den lodrette manipulator. (B) Printeren hoved, der er monteret på 2-D vipning manipulator. (C) Zoom ind billede af printer hoved. Hovedet er meget tæt på bundpladen på dette tidspunkt. Klik her for at se en større version af dette tal.

re 11 "src =" / files / ftp_upload / 53.710 / 53710fig11.jpg "/>
Figur 11: Photon aktivt lag coatede substrat (til venstre) og afsluttede enheder efter katodelag deposition (til højre). Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 12
Figur 12: Aktuel spænding kurve af slot die belagt enhed. Kortslutningsstrøm, kan tomgangsspænding læses fra kurve-akse aflytninger. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 13
Figur 13: strong> Mini-slot die coater indlæst inde helium boks i synkrotron station. (A) forfra; (B) set fra siden. Optisk interferometer er monteret til at overvåge tykkelsen af ​​den belagte film. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 14
Figur 14: Kontrol system in-situ mini slot die coating eksperiment i Advanced Light Source Beamline 7.3.3. Hver grænseflade er mærket i figuren. Klik her for at se en større version af dette tal.

3710fig15.jpg "/>
Figur 15: Typisk GISAXS morfologi evolution. Kurvetilpasning er nødvendigt at oplysningerne indhentes af faseadskillelser. Klik her for at se en større version af dette tal.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Den her beskrevne fremgangsmåde fokuserer på at udvikle en film fremstillingsmetode, der let kan skaleres op i industriel produktion. Tynd film trykning og synkrotron morfologi karakterisering er de mest kritiske trin med protokollen. I tidligere lab skaleret OPV forskning, er spin-coating anvendt som den dominerende metode til at fremstille tyndfilm-enheder. Men denne proces bruger, høj centrifuge kraft til at sprede sig BHJ løsning, som er helt forskellig fra industrielt baseret roll-to-roll fabrikation. Således den viden og erfaring opnået fra spincoating undersøgelsen kan ikke direkte overføres til stort område enhed opspind. Mini-slot die coating enhed præsenteret i de igangværende undersøgelser er beslægtet med den industrielle filmovertræksindretning og vil således være ideel for pre-industriel afprøvning. Parametre, som styrer filmen morfologi, der svarer til anordningens ydeevne, skal undersøges igen. Materialet omkostninger i mini-slot die coating er minimal, og såledesstor mængde indretningsfremstilling betingelser kan optimeres.

En synkrotron måling anvendes til at bestemme morfologien udviklingen af ​​bulk heterojunction (BHJ) solcelle tynde film. Vi udfører græsning forekomst røntgendiffraktion (GIXD) og græsning forekomst røntgenspredning (GISAXS) at overvåge udviklingen af ​​strukturen. Det er ideelt at køre disse to eksperimenter sammen. Er dette ikke muligt, kan de gøres separat. Den eneste forskel mellem GIXD og GISAXS er prøven-til-detektor afstand, og dermed beskriver vi kun forsøget detaljer gang. PEDOT: PSS belagt silicium wafers vil blive brugt som belægningssubstrater. Trykprocessen er den samme som fremgangsmåden til enheden fabrikation. Det er afgørende, at printeren position på underlaget er godt beregnet til at sikre den rigtige q område kan nås, og underlaget startpunkt og slutpunkt kan blive udsat for røntgenstråler. Bemærk også, at i GIXD eksperimentet prøven-til-detektor distance er lille, og detektoren er monteret ganske tæt på helium boksen. I GISAXS eksperiment, en flyvende tube er nødvendigt at reducere luft spredning, fordi prøven-til-detektor afstanden er ganske store (~ 4 m i dette eksperiment indstilling). Bemærk, at både GIXD og GISAXS målinger er færdig ved slutpositionen. Når trykprocessen når slutpositionen, stopper den lineære translationel motor, og kontinuerlig røntgenspredning / diffraktion data genereres. Bemærk at rejseafstand for den lineære translationelle etape er 10 cm. På startpositionen er substratet langt fra røntgenstrålen, og kun transmissionssignalet af baggrunden registreres i 2-D røntgendetektoren. Når substratet bevæger sig til målepositionen, vil det ændre fra transmission spredning til strejfende indfald spredning, og denne overgang kan anvendes som startmarkøren af ​​eksperimentet.

Den lille størrelse af mini-slot die coater er velegnet for r esearch laboratoriebrug. Forbruget af fotoaktive materialer er ganske lav. Normalt kan 10 mg konjugeret polymer gøre 1-2 ml opløsning. De døde volumen i trykning hoved er ca. 0,25 ml. I hvert overtræk eksperiment, ~ 0,1 ml. Således er denne nye metode er effektiv med materialeforbrug. Normalt 100-200 mg af materialer vil være nok til at screene et stort matrix af forarbejdningsbetingelser, såsom blandingsforhold, valg opløsningsmiddel, termisk annealing, hvilket gør mini-slot die coating af en effektiv metode i nye materialer screening. Under udskrivningen eksperimentet, skal du sørge for, at sprøjten pumpen ikke overskrider sin grænse. Rens hovedet ordentligt at afhænde fast oprustning inde i hovedet spalter; ellers vil det sidde fast systemet. Når du skifter fra én løsning til en anden, skal du udføre en grundig rengøring; ellers krydskontaminering kan ske. Fotonen aktive polymer viser sin særegne farve, som kan anvendes som en indikator, om hovedet er fuldt rengjort eller ej.

ve_content "> kan Mini-slot die coater anvendes i forskellige områder i relation til tynde film behandling. I OPV enhed forarbejdning, kan nye parametre inkluderes. F.eks spalten skærehoved temperatur kan styres, og dermed en varm opløsning overtræk . kan opnås, kan substratet også opvarmes;.. således opløsningsmidlet fordampningshastighed kan finjusteres kan også anvendes forskellige coating hastigheder, at variere hastigheden forskydningskraften for at kontrollere morfologien i de nuværende forsøg, kun den enkleste eksperiment under anvendelse af en hårdt substrat påvises. Plastic ledende substrater kan også anvendes til at fremstille fleksible anordninger. Sammenlignet med spin-coating, mini-slot die coating tilvejebringer en behandling, der ligner industriel fabrikation, som er afgørende for forståelsen af ​​optimering industrialisering af OPV teknik. One væsentlig begrænsning ved denne teknik er, at anordningen fabrikation ikke kan være kontinuerlig, som ville have en rulle-til-rulle coating maskine. imidlertid kan de mini-slot die coating hurtigtoptimere betingelserne forarbejdnings- og hurtig materiale screening. Disse observationer giver nyttig indsigt til store panel produktion roll-to-roll.

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