Utskrift Fabrikasjon av Bulk hetero 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 presenterer vi en protokoll for å dikte organiske tynnfilm solceller ved hjelp av en mini-slot die coater og relaterte struktur characterizations in-line ved hjelp av 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 for å produsere kostnadseffektive fornybar energi i nær fremtid. 1, 2, 3 Enorm innsats har blitt gjort for å utvikle foto aktive polymerer og dikte høy effektivitet enheter. Hittil har enkeltlags OPV enheter oppnådd en> 10% strøm konvertering effektivitet (PCE). Disse effektivitet er oppnådd på laboratorieskala enheter ved hjelp av spin belegg for å generere film, og oversettelse til større format skala-enheter har vært nervøs med betydelige reduksjoner i PCE. 4, 5 I industrien rull til rull (R2R) basert tynn film belegg brukes til å generere foton aktive tynne filmer på ledende substrater, noe som er helt forskjellig fra vanlig laboratorie-skala prosesser, spesielt i hastigheten for fjerning av løsningsmiddel. Dette er viktig ettersom morfologi er kinetically fanget, som følge av samspillet mellom flere kinetiske prosesser, herunder faseseparasjon, bestilling, orientering og væske fordampning. 6, 7 Dette kinetisk fanget morfologi, men bestemmer i stor grad resultatene av solcelle enheter. Således forstå utviklingen av morfologien under beleggingsprosessen er av stor betydning for å manipulere morfologien for derved å optimalisere ytelsen.

Optimalisering av morfologien krever forståelse kinetikken i forbindelse med bestilling av hullet-ledende polymer i løsning som løsningsmiddel er fjernet; 8, 9 kvantifisere interaksjoner av polymeren med Fullebaserte elektronleder; 10, 11, 12 forstå rollene til tilsetningsstoffer i å definere Morphologi; 13, 14, 15 og balansere de relative forekomst av fordampning av løsningsmidlet (e) og additiver. 16 Det har vært en utfordring å karakterisere utviklingen av morfologi kvantitativt i det aktive laget i et industrielt relevant setting. Rull-til-rull behandlingen har blitt studert for fabrikasjon av storskala OPV enheter. 4, 17 er imidlertid disse studiene ble utført i en produksjons omgivelser hvor store mengder av materialer som anvendes, effektivt begrenser studier til kommersielt tilgjengelige polymerer.

I denne utredningen, er de tekniske detaljene for fabrikere OPV enheter ved hjelp av en mini-slot dø belegg system demonstrert. Belegg parametere slik som film tørkekinetikk og filmtykkelseskontroll kan anvendes på større skala prosesser, noe som gjør denne studien er direkte relatert til industri fabrication. Dessuten er en meget liten mengde av materiale som anvendes i den mini spaltedyse belegg eksperiment, noe som gjør denne behandling anvendes på nye syntetiske materialer. I utforming, kan denne mini-spaltedyse coater monteres på synkrotron endestasjoner, og således streifende innfall i liten vinkel røntgen-spredning (GISAXS) og røntgendiffraksjon (GIXD) kan brukes for å muliggjøre sanntids studier på utviklingen av morfologien over et bredt område av lengdeskalaer på forskjellige stadier av filmen tørkeprosessen i henhold til et område av prosessbetingelser. oppnådd i disse studiene informasjon kan overføres direkte til en industriell produksjonsinnstillingen. Den lille mengden av materialer som brukes muliggjør en hurtig screening av et stort antall fotoaktive materialer og deres blandinger under forskjellige prosessbetingelser.

Den semi-krystallinske diketopyrrolopyrrole og quaterthiophene (DPPBT) basert lavfrekvens-konjugert polymer anvendes som modell avgivende materiale, og (6,6) -fenyl C71-butyric-metylester (PC 71 BM) anvendes som den elektroniske akseptor. 18, 19. Den er vist i tidligere studier at DPPBT: PC 71 BM blandinger danne store størrelsen faseseparasjon ved bruk av kloroform som løsningsmiddel. En kloroform: 1,2-diklorbenzen oppløsningsmiddelblanding kan redusere størrelsen på faseseparasjon og således øke ytelsen til enheten. Dannelsen morfologi i løpet av løsningsmidlet tørkeprosessen blir undersøkt in situ ved streifende innfall i røntgendiffraksjon og spredning. Solcelle enheter fabrikkert ved hjelp av mini-slot die coater viste en gjennomsnittlig PCE på 5,2% ved hjelp av de beste løsemiddelblandingen forhold, 20 som er lik spin-coating fabrikkerte enheter. Den mini-slot die-belegger åpner en ny rute til å dikte solcelle enheter i et forskningslaboratorium innstilling som etterligner en industriell prosess, fylle et tomrom i forutsi levedyktigheten til disse materialene i et industrielt relvante omgivelser.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Photon-aktiv Blend Ink Forberedelse

  1. Veier 10 mg DPPBT polymer og 10 mg av PC 71 BM materiale (kjemiske strukturer er vist i figur 1). Bland dem i en 4 ml ampulle.
  2. Tilsett 1,5 ml kloroform, og 75 ul av 1,2-diklorbenzen i blandingen.
  3. Sett en liten oppsikt bar i glasset, lukk flasken med en polytetrafluoretylen (PTFE) cap, og overføre flasken til en kokeplate. Omrør ved ~ 400 rpm, og varme ved ~ 50 ° C over natten før bruk.

2. ITO og Wafer Substrat rengjøring og klargjøring

  1. Load pre-mønstrede indium tinn oksid (ITO) glass substrat (1 tomme for 3 inches, med halvparten fjernet ITO) eller silisium wafer inn i en teflon rengjøring rack og sette stativet inn i en glassbeholder (figur 2). Legg fortynnet såpeoppløsning (300 ml, 1% universell vaskeoppløsning) inn i glassbeholderen og sette den inn i glassbeholderen sonikator og sonikere i 15 min.
  2. Ta av vaskemiddel og skyll ITO glass med avionisert (DI) vann et par ganger. Deretter legger 300 ml DI vann inn i beholderen, og sette glassbeholderen inn ultralyd i ytterligere 15 minutter.
  3. Fjerne vannet fra beholderen. Tilsett 300 ml aceton, inn i beholderen, og sonicate i 15 min.
  4. Ta av aceton. Tilsett 300 ml 2-isopranol inn i glassbeholderen, og deretter sonicate i 15 minutter.
  5. Flytt rengjøring stativ ut i en ovn. Sett ovnen til 100 ° C, og vente 3-5 timer før ITO glasset er helt tørket.
  6. Ta ut rengjort underlag. Overføre dem til en UV-ozon renere eller oksygen plasma renere. Bruk kraftig UV-ozon eller plasma for å rense dem for ~ 15 minutter i henhold til produsentens protokoll.
  7. Sett rengjøres underlaget på en spin-coater, tilsett 150 mL poly (3,4-etylendioksytiofen) polystyren (PEDOT: PSS) løsning på rengjort underlag, og spin pels på 3000 rpm å beleggeen ~ 30 nm tykk PEDOT: PSS (PEDOT: PSS 4083) tynn film på enten ITO glass eller silisiumskiver.
  8. Ta av spin belagt underlag. Overfør friskt belagte substrater på en varmeplate og glødning ved 150 ° C i 15 min.

3. Aktiv Layer Printing

  1. Load underlaget. Sett PEDOT: PSS belagt ITO underlaget på bunnplaten av mini-sporet die-belegger. Slå på vakuumpumpen som er koblet til vakuum chuck av den spaltedyse beleggeren for å holde underlaget stramt. (Se figur 3 for å lokalisere ulike komponenter).
  2. Juster posisjonen underlaget for å si det rett under skriveren hodet. Dette kan gjøres ved hjelp av den lineære manipulatoren under substratet plate.
  3. Juster hode vippe med 2-D vippe manipulator som holder skriverhodet. Sørg for at hodet står vertikalt på toppen av lastet underlaget. Legg merke til at i denne prosessen, kan trykkehodet senkes ned i nærheten av substrate. Bruk gapet mellom skriverhodet og underlaget for å vise om hodet er skråstilt eller ikke. Dette vil være svært nyttig når en skive substrat anvendes, siden en mindre bilde av trykkehode vil dukke opp, og det vil være mye enklere å kontrollere vippe.
  4. Tune head-to-underlaget avstand til null. Den vertikale Motoren er koplet sammen med en kraftsensor. Når trykkehodet er flytende, vil en konstant kraft avlesning oppnås (fra vekten av skriverhodet og vipping manipulatorsammenstillinger). Når skrivehodet berører underlaget, vil lesing redusere, som markerer null-stilling. Se figur 4 for trinnet avstandsinnstillingen. Bruk steppmodus i tuning avstand.
    MERK: Den vertikale manipulator translasjonsforskning plate er koblet til sin base ved hjelp av fjærer og fjærkonstanten varierer litt. Således små endringer i kraftsensor er uunngåelig i løpet av eksperimentet.
  5. Sett en head-to-substrat verdi å kjøre eksperimentet. I dette eksperimentet, setthodet til underlaget gap til 100 mikrometer.
  6. Juster den lineære translasjonsforskning scenen motor som skal brukes til å skrive ut. Finn startpunktet og sluttpunktet. Spill disse verdiene. Den reiseavstanden fra den lineære motoren er 100 mm. Her angir 10 mm motor stilling som utgangspunkt og 80 mm motor stilling som sluttpunktet.
  7. Sett utskriftshastigheten til 10 mm / sek ved hjelp av motor kontrollere programvaregrensesnitt (figur 4b). Plasser motorakselerasjonshastigheten til 100 m / sek.
    1. Hvis motoren ikke virker som den skal eller programvaren har en feil, må du starte programmet og klikk "aktiver" og deretter "hjem" i programvaren grensesnittet. Legg merke til at under utskrift prosessen, forblir skriverhodet fast og underlaget beveger å dispensere løsningen og etterligner industritrykkeprosessen.
  8. Belastning DPPBT: PCBM løsning (romtemperatur) i 1 ml sprøyte og montere sprøyten til sprøytepumpen som er koblet til sporetdø skriver. Angi utskrifts parametrene i programvarestyring (sprøyte diameter og oppløsning matehastighet, 0,3 ml / min i dette tilfelle).
  9. Start utskriften eksperiment.
    1. Bevege substratet til startpunktet ved å skrive startpunktet stilling i den stilling vinduet i styrende programvare. Se figur 4c for detaljer.
    2. Begynn å pumpe løsning i sporet dør hodet ved å klikke på start i sprøytepumpen programvare. Alternativt manuelt åpne sprøytepumpe. For hvert belegg, vil området rundt ~ 100 ul oppløsning anvendes. Normalt bruker 300 mL løsning for første gang trykking og bruke ~ 100 mL løsning for gjentatt utskrift.
    3. Raskt starte translasjonsforskning motoren når løsningen begynner å komme ut fra skriverhodet, og underlaget vil flytte til slutten posisjon. Vær oppmerksom på at dette er et kritisk punkt. Preload translasjonell motor sluttposisjonen til posisjonen vinduet, og klikk enter for å starte motoren movement.
    4. Stopp sprøytepumpen og løft skriverhodet ved hjelp av vertikale motor. Slå av vakuum av og ta substratet av bunnplaten. Legg merke til at dødvolumet for denne trykkehode er 250 ul, og dermed fylle den første tiden det tar mer enn 250 ul oppløsning.
    5. Legge den trykte substratet inn i en vakuumovn i 3-5 timer for å fjerne gjenværende oppløsningsmiddel.
    6. Sett en petriskål under skriverhodet. Pumpe 10 ml kloroform inn i skriverhodet for å rense hodet. Samle forurenset kloroformoppløsningen med petriskål. Bruk bomullspinner for å rengjøre skriverhodet mens pumping rengjøringsmiddel. Etter hvert lag løp, rengjøre skriverhodet, spesielt når en annen løsning er brukt.
      MERK: DPPBT: PCBM løsning viser en mørk grønn farge. Når rensingen er ferdig, kan ingen farge ses fra kloroform-løsningsmiddel.

4. Cathode elektrode Nedfall

  1. Last innaktivt lag belagte substrat på skyggemasker (figur 5) og feste masken inn i fordampningskammeret.
  2. Sett to termisk fordampning båter i mellom elektrode studs (figur 6a). Last en båt med LiF salt (knapt dekker båten, ~ 0,2 g) og en båt med aluminium metall (4 pellets).
  3. Lukk fordampningskammeret og pumper ned fordampningskammeret til ca. 2 x 10 -6 Torr.
  4. Sett kammeret for å sette en nm av LiF etterfulgt av 100 nm av aluminium. I dagens tilfelle, bruker 20% effekt i LiF deponering og bruke 26% effekt i Al deponering. Vist i figur 6b er fordamperen kontrollgrensesnitt for systemet brukt i denne studien.
  5. Stopp evakueringspumper og fylle kammeret med nitrogengass. Når trykket returnerer til atmosfæren press, ta underlag ut.

5. Photovoltaic Performance Measurement

  1. Forbered et glass lysbilde som er halvparten avBredden på ITO glasset som brukes i enheten fabrikasjon. Utfør dette trinnet i en hanskerommet. Lim epoksylim til den ene side av glasset underlaget, og slik at enhetsområdet ved hjelp av epoksy lim belagte glassplater (se figur 11 for prøve-enhet). Når epoksyen har herdet, vil enheten være fullstendig forseglet.
  2. Start solenergi simulering lampe og satt til AM 1,5 stråling med 100 mW / cm 2. Stabil lampen i ca 15 minutter før måling. Vist på figur 7 er PV-målesystemet som anvendt i denne studien.
  3. Monter enheten under solens simulator på instrumentet foreslo avstand. Koble anoden og katoden til målekretsen. Spill inn en strøm-spenningskurve ved hjelp av en elektrisk multimeter ved hjelp av produsentens protokoll.
  4. Bestem ytelsen til enheten som følger:
    J sc: kortslutningsstrøm, maksimum strøm som en solcelle-enhet kan levere;
    V oc FF: fyll faktor, det maksimale området i IV kurve delt på J fm * V oc;
    PCE: makt konvertering effektivitet, J fm * V oc * FF / (100mW / cm 2).

6. Synchrotron X-ray måling

  1. Sett opp en helium boksen for å undertrykke luft spredning i X-ray måling. Monter mini-slot die-belegger inn i helium-boksen. Vist i figur 8 er forsøket oppsett av streifende innfall Røntgendiffraksjonsstudier eksperimenter med en helium-boksen på Advanced Light Source.
  2. Montere en optisk interferometer på trykkemaskinen for å overvåke tykkelsen endringen over løsningsmiddelfordampning. I dette eksperimentet, kan du bruke en UVX modell (f.eks Filmetrix F20). De materialer som benyttes i dette forsøk har sterke lysabsorpsjon 300-900 nm bølgelengde.
    1. Bruk en kilde lampe av optisk interferometer thved unngår materialet absorpsjon. Bruke en bølgelengde lampe 1,100-1,700 nm i dette eksperimentet. Pre-kalibrere instrumentet før forsøket følgende operasjonsprosedyrer.
  3. Sett PEDOT: PSS belagt wafer underlaget på underlaget innehaveren av skriveren og juster hode og underlaget posisjon følgende trinn 3,2-3,5. Slå på vakuumpumpen og sørge for at wafer underlaget holder seg til underlaget holder tett.
  4. Blås ut helium boksen for å fjerne luft. Legg merke til at oksygeninnholdet bør være mindre enn 0,3 vol%, noe som kan overvåkes av oksygensensor.
  5. Juster underlaget i posisjonen der X-ray har kontakt med underlaget (sluttposisjonen i utskrift), og satt innfallsvinkelen, 0,16 ° i dette tilfellet. Rett etter stråle-line-protokollen.
  6. Sett X-ray eksponeringstid og datainnsamling metoden. Her bruker 2 sek som eksponeringstiden, og etterfulgt av tre sekunders forsinkelse (for å unngå server bjelke skade). Dermed hvert forsøk periode vilvære 5 sek. Gjennomføre en kontinuerlig kø av 100 repetisjoner; dermed ta 100 bilder.
  7. Navn eksperimentet og velge data banen for å redde eksperimentelle filer. Vist i figur 9 er Advanced Light Source beamline 7.3.3 brukergrensesnitt der de ovennevnte innstillinger kan være lett plassert.
  8. Bevege substratet til utgangsstillingen ved å angi startposisjon i motorprogramvarestyring. Start X-ray lukker og detektoren vil fortløpende registrere diffraksjon / spredning signaler.
  9. Start sprøytepumpe for å mate løsningen i utskriften hodet. Når løsningen begynner å løse ut fra skriverhodet (overvåket av et overvåkingskamera), raskt starte utskriften.
    MERK: Når pre-valgt måleposisjonen er nådd, vil 2-D detektor fange spredning signal fra oppløsning. Filmtykkelse vil bli overvåket av interferometer. Dermed tynn film morfologi utviklingen vil bli registrert.
  10. Løft opp skriverenhode og rense hodet når eksperimentet er ferdig.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Vist i figur 3 er den mini spaltedyse beleggsystem. Den består av en beleggmaskin, en sprøytepumpe og en sentral kontrollboks. Belegget Maskinen er den vesentlige del, som er laget av en spaltedyse hode, en horisontal translasjonsbevegelse scene, og en vertikal translasjonsbevegelse trinn. Spalten dysehodet er festet til bunnen av en vertikal translatorisk motor gjennom en 2-D-vippe manipulator. Figur 10a viser skriverens hovedlegeme uten montering trykkehode hvorfra to-D-vippe manipulatoren er merket. Figur 10b viser montering av trykkehodet til 2-D-vippe manipulator. Figur 10c viser et forstørret bilde av skriverhodet og bunnplaten. En kraftsensor er innebygd i den vertikale translasjonsbevegelse trinnet. I forsøk, er den vertikale translasjonsbevegelse fasen benyttes til å justere hode-til-substrat avstand, og 2-D-vippe motor blir brukt til å just hodet for å være strengt vertikal. Kraftsensoren blir brukt til å overvåke vekten av spaltedyse hodesystem. Når hodet berører underlaget, vil et hopp fra positiv lesning til en negativ avlesning holdes, noe som indikerer hodeposisjonen. Hodet beveges opp til ønsket høyde for å gi en viss avstand. Under utskrift er sporet die hodet fast og de nederste horisontale translasjonell scene trekk. Med væske som utleveres fra hode sliss, kan man oppnå en jevn film. Det bør nevnes at både skriveren hodet og underlaget plate har raffinert temperatur styringssystemer. En temperaturområde fra romtemperatur til 150 ° C kan brukes under utskrift for dette systemet. Figur 11a viser en ITO underlaget belagt med konjugert polymer: PCBM blander. Filmen er ganske glatt visuelt. Det skal bemerkes at begynnelsen og slutten av den belagte film er ikke alltid ensartet, på grunn av den dannede menisken og tørke fra kantene. Hvis su bstrate er lang nok, eller hvis substratet er belagt på en kontinuerlig måte (som med en R2R skriver), kan dette problemet løses.

Nylig belagt substrat (glass / ITO / PEDOT: PSS / aktivt lag) blir overført til en vakuum-ovn over en kort periode, og deretter lastet inn i skyggemasker. Masken blir lastet inn i fordamperen for å avsetningskatoden tynt lag. Vist i figur 5 er en skyggemaske som brukes i forsøket. Figur 11b viser en ferdig enhet etter katodelaget deponering. Forestillingen enheten blir målt ved hjelp av en solenergi simulator i henhold til 100 mW / cm 2 AM 1,5 tilstand. Vist i figur 12 er en representativ strøm-spenningskurven for et mini-spalte dør belagte enhet. En gjennomsnittlig kraft omdannelseseffektivitet på 5,2% blir oppnådd for spaltedyse belagte enheter, som er nær det som oppnås ved spinnbelegging (~ 5,6% PCE).

1 "> in situ GIXD og GISAXS eksperimenter er nyttige metoder for å spore morfologi utviklingen av den trykte BHJ blekk. Polymer krystallisering kan spores ved GIXD eksperiment og faseseparasjon kan spores ved GISAXS. I forsøk, mini-slot dø belegger er montert på et goniometer inne i helium (Figur 13). kabel~~POS=TRUNC vil bli koblet sammen, og dermed kan instrumentene brukes utenfor synkrotron bur. Vist i Figur 14 er driftssenteret på X-ray beamline . den øverste venstre datamaskin styrer beamline parametere, den sentrale datamaskinen er beamline drift grensesnitt som styrer X-ray lukker og poster data, venstre datamaskinen er det analoge vindu for to overvåkingskamera inne i bur, man fokuserer på prøven stilling og man fokuserer på sporet die hodet slit og dermed kan overvåke løsningen status; nederst til venstre datamaskinen kjører horisontal og vertikal translasjonell hjorte motor programvare og sprøytepumpe kontrollprogramvare. Vist i figur 15 er en typisk in situ streifende innfall i liten vinkel spredning eksperiment i løpet av oppløsningsmiddel tørking. Klokken evolusjon er fargekodet. I det tidlige stadium av tørkingen (et overskudd av oppløsningsmiddel eksisterte), blir en rød kurve scattering sett, og blander godt blandet. En spredning topp gradvis utviklet på rundt 0,02 A -1, noe som indikerer en ~ 60 nm av faseseparasjon. Denne informasjonen, når kombinert med in situ GIXD resultater, vil fortelle oss kinetikken av polymer krystallisering og faseseparasjon.

Figur 1
Figur 1: Kjemisk struktur av konjugert polymer DPPBT og kjemisk modifiserte Fulle PC 71 BM anvendt i denne studien. Vennligst klikkher for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 2
Figur 2: 1/3 fjernet ITO underlag og Teflon stativ som brukes i ITO glass rengjøring. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 3
Figur 3: (a) Hoveddel av Mini-spaltedyse coater. Skriverhodet er montert på vippe manipulator. De to knottene over sporet die hodet er vant til å bare vippe av skriverhodet. En rund form trinnmotor er montert vertikalt for å tilveiebringe vertikal bevegelse av skriverhodet. Den viktigste horisontal translasjon trinnet er montert på bunnplate for å tilveiebringe lineærbevegelse for å belegge filmen. Både utskrift hodet og underlaget basen kan varmes opp. (B) Kontrollboks med sprøytepumpe montert på toppen. Den venstre kube er kontrolleren for den vertikale motor; midten kuben er den horisontale motor kontrolleren; de rette tre paneler er temperaturregulator for hodet (øverst), temperaturregulator for basen (i midten), og kraftsensor. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 4
Figur 4: Mini-slot dø skriver motor kontrollere programvaregrensesnitt. (A) Hovedprogramvaregrensesnitt: den vertikale stepper motor kontrollere programvare er på toppen og lineær translasjonell motor programvare er i bunnen; (B) hastighet og akselerasjoninnstilling grensesnitt for både vertikal og horisontal translasjonsbevegelse motor; (C) Posisjonen for horisontal translasjonsforskning motor. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 5
Figur 5: Shadow masken som brukes i katoden lag deponering. Enhet underlag vil bli lastet inn i utklippsområdet av masken. Masken vil bli montert på fordampningskammeret, og elektroden metall skal avsettes gjennom snitt rektangulære områder. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 6 <br /> Figur 6: (a) Fordamper og elektrode pigger layout. Under drift vil tantal metall båt være montert i mellom elektrode pigger. Elektrode metall vil bli lastet i båten; og elektrisk strøm vil varme båten til termisk fordamper elektrode metall. (B) Fordamper kontrollgrensesnitt. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 7
Figur 7: Standard fotoelektriske målesystem. (A) Solar simulator; (B) Solar simulator kontrolleren; (C) Solar simulator fluks kontrolleren. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 8
Figur 8: streifende innfall røntgendiffraksjons-forsøk under anvendelse av helium-boksen. Helium boksen brukes til å generere en eksperimentell atmosfære som har mindre luft spredning. Slot die skriveren er installert inne i helium boksen under forsøket. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 9
Figur 9: synkrotron beamline kontroll programvare grensesnitt. Dette grensesnittet styrer beamline eksperiment. Det venstre panelet brukes til å justere prøver; høyre panel styrer X-ray eksponeringstid, eksperimentere navn, og viser spredning signal. : //ecsource.jove.com/files/ftp_upload/53710/53710fig9large.jpg "Target =" _ blank "> Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 10
Figur 10: Mini-slot die skriver store deler forstørret. (A) Hoveddel av spaltedyse beleggeren. En vertikal motor er sammenkoplet med en lastcelle kraftsensor og integrert på en vertikal manipulator. En 2-D-vippe manipulatoren er montert på den vertikale manipulator. (B) Skriveren hode som er montert på 2-D-vippe manipulator. (C) Zoom inn bilde av skrivehodet. Hodet er svært nær bunnplaten på dette punktet. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

re 11 "src =" / files / ftp_upload / 53710 / 53710fig11.jpg "/>
Figur 11: Photon aktive laget belagt substrat (til venstre) og fullførte enheter etter katode lag deponering (til høyre). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 12
Figur 12: Current-spenningskurven av sporet dø belagte enhet. Kortslutningsstrøm, kan åpen krets spenning leses fra kurve-aksen fanger. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 13
Figur 13: strong> Mini-slot die coater lastet inne helium boksen i synkrotron stasjon. (A) Sett forfra; (B) fra siden. Optisk interferometer er montert for å overvåke tykkelsen av den belagte film. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 14
Figur 14: Kontroll system av in-situ mini slot dør belegg eksperiment i Advanced Light Source tros 7.3.3. Hvert grensesnitt er merket på figuren. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

3710fig15.jpg "/>
Figur 15: Typisk GISAXS morfologi evolusjon. Kurvetilpasning er nødvendig for å oppnås informasjonen om faseadskillelse. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Metoden som beskrives her fokuserer på å utvikle en film fremstillingsmetode som lett kan skaleres opp i industriell produksjon. Thin film utskrift og synkrotron morfologi karakterisering er de mest kritiske trinn med protokollen. I tidligere lab skalert OPV forskning, blir spinnavsetning anvendes som den dominerende metode for å fremstille tynnfilm enheter. Men bruker denne prosessen høy sentrifuge kraft til å spre seg BHJ løsning, som er ganske forskjellig fra industri basert rull-til-rull fabrikasjon. Dermed kunnskap og erfaring hentet fra spin belegg studien ikke direkte kan overføres til stort område enheten fabrikasjon. Den mini-slot die belegg enhet presenteres i dagens undersøkelser er beslektet med den industrielle film belegg enheten, og dermed vil være ideelt for pre-industriell testing. Parametere som styrer filmen morfologi, som tilsvarer ytelse fra enheten, må reinvestigated. Materialet kostnaden i mini-slot die belegg er minimal og dermedstor mengde enhetsfabrikasjonsforhold kan optimaliseres.

En synkrotron måling blir brukt til å bestemme morfologien utviklingen av bulk heterojunction (BHJ) solcelle tynne filmer. Vi utfører streifende innfall røntgendiffraksjon (GIXD) og streifende innfall X-ray spredning (GISAXS) for å overvåke utviklingen av strukturen. Det er ideelt å kjøre disse to forsøkene sammen. Hvis ikke er mulig, kan de gjøres separat. Den eneste forskjellen mellom GIXD og GISAXS er sample-til-detektor avstand, og dermed vi beskriver bare eksperiment detaljene gang. PEDOT: PSS belagt silisiumskiver vil bli brukt som belegging av substrater. Trykkeprosessen er den samme som fremgangsmåten for enheten fabrikasjon. Det er kritisk at skriveren posisjon på substratet er godt beregnet til å sørge for at riktig q området kan nås og substratet startpunktet og sluttpunktet kan bli utsatt for røntgenstråler. Vær også oppmerksom på at i GIXD forsøket, prøven til detektoren distance er liten, og detektoren er montert ganske nær helium boksen. I GISAXS eksperiment, er en flygende rør er nødvendig for å redusere luft spredning ettersom sample-til-detektor avstanden er ganske store (~ 4 m i dette forsøk innstilling). Vær oppmerksom på at både GIXD og GISAXS målinger er gjort på sluttposisjonen. Når trykkeprosessen når sluttposisjonen, den lineære translasjonsforskning motoren stopper, og kontinuerlig X-ray spredning / diffraksjon data genereres. Merk at reiseavstanden for den lineære translasjonsforskning scenen er 10 cm. I startposisjonen er substratet langt fra røntgenstråle, og bare det overførte signal til bakgrunns tas opp i 2-D-X-stråledetektor. Når underlaget beveger seg til måleposisjonen, vil det endre fra transmisjons spredning til streifende innfall i spredning, og denne overgang kan anvendes som utgangs markør av forsøket.

Den lille størrelsen på mini-slot die coater er velegnet for r eSearch laboratoriebruk. Forbruket av fotoaktive materialer er ganske lav. Normalt kan 10 mg av konjugert polymer gjøre 1-2 ml oppløsning. De døde volum i utskriften hodet er ca 0,25 ml. I hvert eksperiment belegg, ~ 0,1 ml anvendes. Dermed er denne nye metoden med effektiv materialbruk. Normalt 100-200 mg av materiale vil være nok for å screene et stort matrise av prosesseringsbetingelser, slik som blending forhold, valg oppløsningsmiddel, termisk gløding, slik at mini spaltedyse å belegge en effektiv metode på ny materialer screening. Under utskrift eksperiment, sørg for at sprøytepumpen ikke overstiger grensen. Rengjør hodet riktig å avhende fast buildup inne i hodet åpninger; ellers vil den sette seg fast i systemet. Ved bytte fra en løsning til en annen, utføre en grundig rengjøring; ellers krysskontaminering kan skje. Foton aktiv polymer viser et distinkt farge, som kan brukes som en indikator som om hodet er helt fri eller ikke.

ve_content "> Mini-spaltedyse coater kan anvendes på forskjellige områder i forbindelse med tynn film behandling. I OPV anordning behandling, kan nye parametre tas med. For eksempel, i sporet dysehodet temperatur kan kontrolleres, og dermed en varm løsning belegg . kan oppnås underlaget kan også være oppvarmet;.. således oppløsningsmidlet fordampningshastigheten kan finjusteres Forskjellige belegg hastigheter kan også brukes, for å variere den skjærhastighet for å styre morfologien Under de aktuelle forsøkene bare det enkleste eksperiment ved anvendelse av en hardt substrat blir demonstrert. Plast ledende substrater kan også brukes til å fremstille fleksible enheter. Sammenlignet med spinne belegg, gir mini spaltedyse belegg en behandling som er lik industriell fabrikasjon, noe som er avgjørende for å bidra optimalisere industrialiseringen av OPV teknikk. en vesentlig begrensning av denne teknikken er at enheten fabrikasjon ikke kan være kontinuerlig, noe som ville trenge en rull til rull belegg maskin. imidlertid er mini spaltedyse belegg kan rasktoptimalisere prosessbetingelser og raskt material screening. Disse observasjonene gir nyttig innsikt for rull-til-rull stort panel produksjon.

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