ייצור הדפסת תאים סולריים heterojunction הגורף<em&gt; באתרו</em&gt; אפיון מורפולוגיה

Summary

כאן, אנו מציגים פרוטוקול לפברק תאים סולריים אורגני סרט דק באמצעות coater למות מיני חריץ ומאפייני מבנה אונליין הקשורים באמצעות טכניקות פיזור synchrotron.

Abstract

Polymer-based materials hold promise as low-cost, flexible efficient photovoltaic devices. Most laboratory efforts to achieve high performance devices have used devices prepared by spin coating, a process that is not amenable to large-scale fabrication. This mismatch in device fabrication makes it difficult to translate quantitative results obtained in the laboratory to the commercial level, making optimization difficult. Using a mini-slot die coater, this mismatch can be resolved by translating the commercial process to the laboratory and characterizing the structure formation in the active layer of the device in real time and in situ as films are coated onto a substrate. The evolution of the morphology was characterized under different conditions, allowing us to propose a mechanism by which the structures form and grow. This mini-slot die coater offers a simple, convenient, material efficient route by which the morphology in the active layer can be optimized under industrially relevant conditions. The goal of this protocol is to show experimental details of how a solar cell device is fabricated using a mini-slot die coater and technical details of running in situ structure characterization using the mini-slot die coater.

Introduction

photovoltaics האורגני (OPV) הוא טכנולוגיה מבטיחה לייצר אנרגיות מתחדשות חסכוניות בעתיד הקרוב. ^{1, 2, 3} מאמצים רבים נעשו כדי לפתח פולימרי צילום פעיל לפברק התקנים יעילים גבוהים. נכון להיום, מכשירי OPV שכבתיים יחידים השיגו יעילות המרה כוח> 10% (PCE). שיפורים אלה הושגו על מכשירים בקנה מידה מעבדתי באמצעות ציפוי ספין כדי ליצור את הסרט, ותרגום למכשירים גודל בקנה מידה גדול יותר כבר טומנת בחובה ירידה מובהקת PCE. ^{4, 5} בענף, לגלגל אל הרול (R2R) ציפוי סרט דק מבוסס משמש להפקת סרטים דקים פעילים פוטון על מצעים מוליכים, שונה למדי מתהליכי מעבדה בקנה מידה טיפוסיים, במיוחד בשער של הסרת ממס. דבר זה הוא קריטי מאחר מורפולוגיות הם קיnetically לכודים, הנובעים הגומלין בין תהליכים הקינטית מרובים, כולל הפרדת פאזות, סידור, התמצאות אידוי הממס. ^{6, 7} kinetically זה מורפולוגיה לכוד, אם כי, קובע במידה רבה את הביצועים של המכשירים תאים סולריים. לכן, להבנת ההתפתחות של המורפולוגיה במהלך תהליך הציפוי היא בעל חשיבות גבוהה עבור מניפולציה של המורפולוגיה כדי למטב את הביצועים.

אופטימיזציה של המורפולוגיה דורשת הבנת קינטיקה הקשורים ההזמנה של פולימר ניצוח חור הפתרון ממס מוסר; ^{8, 9} לכימותי האינטראקציות של הפולימר עם מנצח האלקטרונים מבוסס פולרן; ^{10, 11, 12} הבנת התפקידים של תוספים בהגדרת מורפומְשַׁעֲמֵם; ^{13, 14, 15} ואיזון השיעורים היחסיים של אידוי של הממס (ים) ותוספים. ¹⁶ זה כבר אתגר לאפיין את האבולוציה של מורפולוגיה כמותית השכבה הפעילה בסביבה תעשייתית רלוונטית. רול ל-רול עיבוד נחקר עבור הייצור של מכשירי OPV בקנה המידה גדולים. ^{4, 17} עם זאת, מחקרים אלה בוצעו באווירה ייצור שבו כמויות גדולות של חומרים המשמשים, הגבלת מחקרים ביעילות פולימרים זמינים מסחרית.

במאמר זה, את הפרטים הטכניים של בודה התקנים OPV באמצעות מערכת ציפוי למות מיני חריץ הם הפגינו. פרמטרים ציפוי כגון קינטיקה ייבוש הסרט ובקרה עובי הסרט החלות על תהליכים בקנה מידה גדול יותר, מה שהופך במחקר זה קשור ישירות בתעשייה fabrication. חוץ מזה, כמות קטנה מאוד של חומר המשמש בניסוי ציפוי מיני חריץ למות, מה שהופך עיבוד זה החלות על חומרים סינתטיים חדשים. בתכנון, coater למות מיני חריץ זה יכול להיות מותקן על גבי תחנות קצה סינכרוטרון, ובכך מרע פיזור קרני רנטגן הזווית קטנה שכיח (GISAXS) ואת קרן ה- X עקיפה (GIXD) יכול לשמש כדי לאפשר לימודים בזמן אמת על האבולוציה המורפולוגיה פני טווח של אורך רחב מאזניים בשלבים שונים של תהליך ייבוש הסרט תחת מגוון של תנאי עיבוד. מידע המתקבל במחקרים אלה ניתן להעביר ישירות הגדרת ייצור תעשייתית. הכמות הקטנה של חומרים המשמשת מאפשרת סינון מהיר של מספר רב של חומרים פוטו-פעיל והתערובות שלהם בתנאי עיבוד שונים.

החצי-גבישי diketopyrrolopyrrole ו quaterthiophene (DPPBT) מבוססי פולימרים הלהקה נמוך מצומדות משמש כחומר התורם הדגם (6,6) -phenyl C71-butyriג מתיל אסטר חומצה (PC ₇₁ בע"מ) משמשת acceptor האלקטרוני. ^{18, 19} זה מוצג במחקרים קודמים כי DPPBT: PC ₇₁ בע"מ תערובות ליצור הפרדת פאזות גודל גדול בעת שימוש כלורופורם כמו ממס. כלורופורם: תערובת ממס 1,2-dichlorobenzene יכול להקטין את הגודל של הפרדת פאזות ובכך להגדיל את ביצועי המכשיר. היווצרות המורפולוגיה במהלך תהליך הייבוש הממס נחקרת באתרו על ידי מרעה השכיח רנטגן עקיפה ופיזור. מכשירי תא סולארי מפוברקים באמצעות coater למות מיני החריץ הראה PCE ממוצע של 5.2% באמצעות תנאי תערובת הממס הטובים ביותר, ²⁰ דומה ספין-ציפוי מכשירים מפוברקים. Coater מיני חריץ למות פותח מסלול חדש לפברק התקני תאים סולריים במעבדת הגדרת מחקר המחקה תהליך תעשייתי, מילוי פער מנבא את הכדאיות של חומרים אלו תעשייתיים relהגדרת evant.

Protocol

הכנת דיו Blend 1. פוטון-פעיל

1. לשקול 10 מ"ג של פולימר DPPBT ו -10 מ"ג של חומר מחשב ₇₁ בע"מ (מבנים כימיים שמוצג באיור 1). מערבבים אותם בקבוקון 4 מ"ל.
2. הוסף 1.5 מ"ל כלורופורם 75 μl של 1,2-dichlorobenzene לתוך התערובת.
3. שים בר ומערבבים קטנים לתוך הבקבוקון, לסגור את הבקבוקון עם כובע polytetrafluoroethylene (PTFE), ולהעביר את בקבוקון פלטה חשמלית. מערבבים ב ~ 400 סל"ד, וחום ב ~ 50 מעלות צלזיוס למשך הלילה לפני השימוש.

2. איטו ו ופל מצע ניקוי והכנה

1. טרום בדוגמת טענתי תחמוצת אינדיום בדיל (איטו) מצע זכוכית (1 אינץ 'ב -3 אינץ', עם חץ סיר איטו) או פרוסות סיליקון לתוך תצוגת ניקוי טפלון וקבעתי מתל לתוך מיכל זכוכית (איור 2). להוסיף בתמיסת דטרגנט לדלל (300 מ"ל, 1% בתמיסת דטרגנט אוניברסלי) לתוך מיכל זכוכית ולשים את מיכל זכוכית לתוך sonicator sonicate במשך 15 דקות.
2. להסיר את נוזל הכלים ולשטוף את הכוס איטו עם deionized (DI) מים כמה פעמים. לאחר מכן להוסיף 300 מ"ל מים DI לתוך המיכל, ולשים את מיכל זכוכית לתוך sonicator במשך 15 דקות נוספות.
3. הסר את המים מהמיכל. הוספת 300 מ"ל אצטון לתוך המיכל, ו sonicate במשך 15 דקות.
4. הסר אצטון. הוספת 300 מ"ל 2-isopranol לתוך מיכל זכוכית, ולאחר מכן sonicate במשך 15 דקות.
5. הזז את הניקוי מתל אל תנור. הגדר את טמפרטורת התנור ל 100 מעלות צלזיוס, ולחכות 3-5 שעות עד זכוכית איטו הוא מיובש לחלוטין.
6. להוציא מצעים לנקות. העבר אותם לתוך שואב פלזמה מנקה או חמצן UV-אוזון. השתמשו רב עוצמה UV-אוזון או פלזמה לנקות אותם ~ 15 דק 'על פי פרוטוקול של היצרן.
7. שים את המצע ניקה גבי coater ספין, להוסיף 150 פולי μl (3,4-ethylenedioxythiophene) sulfonate קלקר (PEDOT: PSS) פתרון על גבי המצע ניקה, ואת המעיל ספין בסל"ד 3000 כדי מעילמצוין ~ 30 PEDOT ננומטר עבים: PSS (PEDOT: PSS 4083) סרט דק על או ופלי הזכוכית או סיליקון איטו.
8. תוריד מצעים מצופי ספין. מעביר את המצעים מצופים הטריים על צלחת לחשל חימום ב 150 מעלות צלזיוס למשך 15 דקות.

3. הדפסת שכבה פעילה

1. מצע טען. שים את PEDOT: PSS מצופה המצע איטו לצלחת בסיס של coater למות חריץ מיני. הפעל את משאבת ואקום המחובר צ'אק ואקום של coater למות חריץ להחזיק את המצע בחוזקה. (ראה איור 3 לאיתור רכיבים שונים.)
2. התאם את המיקום של מצע לשים אותו ממש מתחת ראש המדפסת. ניתן לעשות זאת על ידי שימוש מניפולטור ליניארי מתחת ללוח המצע.
3. התאם את הראש הנוטה באמצעות מניפולטור ההטיה 2-D שמכיל את ראש ההדפסה. ודא כי הראש עומד אנכי על גבי המצע הטעון. שימו לב בתהליך זה, ראש ההדפסה ניתן וריד קרוב substraטה. השתמש הפער בין ראש ההדפסה ואת המצע כדי להראות אם הראש מוטה או לא. זה יהיה מאוד שימושי כאשר מצע פרוסות משמש, מאז תמונת קטין של ראש ההדפסה תופיע וזה יהיה הרבה יותר קל לבדוק את ההטיה.
4. כוון את המרחק אל מצע הראש לאפס. המנוע האנכי מצמיד עם חיישן כוח. כאשר ראש ההדפסה צף, קריאת הכח קבועה תושג (מן המשקל של הדפסת ראש ההטיה מכלול מניפולטור). לאחר ראש המדפסת נוגע מצע, הקריאה תפחית, סימון המיקום אפס. ראה איור 4 עבור הגדרת מרחק צעד. השתמש במצב לרוץ כוונון המרחק.
   הערה: צלחת translational מניפולטור אנכי מחובר לבסיסו באמצעות מעיינות קבוע הקפיץ משתנה מעט. לפיכך שינויים קטנים חיישן כוח הם בלתי נמנעים במהלך הניסוי.
5. גדר ערך ראש אל המצע להפעיל את הניסוי. בניסוי זה, להגדיר אתהראש למצע הפער ל -100 מיקרומטר.
6. התאם את המנוע בשלב ליניארי translational אשר ישמש כדי להדפיס. מצא את נקודת ההתחלה ואת נקודת הסיום. קלט ערכים אלה. מרחק הנסיעות של המנוע ליניארי הוא 100 מ"מימ. הנה, להגדיר מיקום המנוע 10 מ"מ כנקודת ההתחלה ו -80 מ"מ מיקום המנוע כנקודת הקצה.
7. הגדרת מהירות הדפסה עד 10 מ"מ / sec באמצעות המנוע שליטה ממשק תוכנה (איור 4 ב). הגדרת מהירות ההאצה המנוע ל -100 מ '/ שנייה.
   1. אם המנוע אינו פועל כהלכה או התוכנה יש שגיאה, אנא הפעל מחדש את התוכנה ולחץ על "אפשר" ולאחר מכן "הביתה" בממשק התוכנה. שים לב במהלך הדפסת תהליך, ראש ההדפסה נשאר קבוע ואת המצע נע לוותר הפתרון לחקות את תהליך ההדפסה התעשייתי.
8. DPPBT טען: פתרון PCBM (בטמפרטורת החדר) לתוך מזרק 1 מ"ל ו הר את המזרק משאבת מזרק המחובר לחריץלמות מדפסת. הגדר את הפרמטרים הדפסה בשליטה תוכנה (קוטר מזרק ומהירות האכלה פתרון, 0.3 מ"ל / דקה במקרה זה).
9. הפעל את ניסוי ההדפסה.
   1. הזז את המצע לנקודת ההתחלה על ידי הקליד את מיקום הנקודה המוצא בחלון העמדה בשליטת תוכנה. ראה איור 4C לפרטים.
   2. התחל לשאוב פתרון לתוך ראש החריץ למות על ידי לחיצה על ההתחלה של תוכנת משאבת מזרק. לחלופין, ידני להפעיל את משאבת מזרק. עבור כל ציפוי, סביב ~ 100 μl של פתרון ישמש. בדרך כלל, השתמש 300 פתרון μl להדפסה לראשונה ולהשתמש ~ 100 פתרון μl להדפסה חוזרת.
   3. מתניעת translational במהירות כאשר הפתרון מתחיל לצאת החוצה מראש ההדפסה, ואת המצע יעבור מיקום הסיום. אנא שימו לב כי זהו שלב קריטי. טענת מראש מנוע translational שהסתיים עמדו לתוך חלון העמדה, ולחץ על Enter כדי להפעיל את mov המנועement.
   4. עצור את משאבת המזרק ולהרים ראש ההדפסה באמצעות המנוע האנכי. סובב את הוואקום מעל ולקחת את מצע מצלחת הבסיס. ראוי לציין, כי הנפח המת עבור ראש הדפסה זה 250 μl, ובכך ממלא את הפעם הראשונה לוקח יותר מ -250 μl של פתרון.
   5. טענת את המצע מודפס לתוך תנור ואקום במשך 3-5 שעות כדי להסיר ממס שיורים.
   6. שים בצלחת פטרי מתחת לראש ההדפסה. משאבה 10 מ"ל כלורופורם אל ראש ההדפסה לניקוי ראש. לאסוף את הפתרון כלורופורם מזוהם עם צלחת פטרי. השתמש צמר גפן לניקוי ראש ההדפסה תוך שאיבת פתרון הניקוי. לאחר כל סיבוב ציפוי, לנקות את ראש ההדפסה, במיוחד כאשר פתרון אחר משמש.
      הערה: DPPBT: פתרון PCBM מראה צבע ירוק כהה. כאשר הניקוי יושלם, ללא צבע ניתן לראות מן ממס כלורופורם.

4. הפקדת אלקטרודה קתודה

1. טענת אתמצע צופה בשכבה פעילה על מסכות צל (איור 5) ו הר המסכה לתוך תא האידוי.
2. שים שתי סירות אידוי תרמית בין חתיכי אלקטרודה (איור 6 א). טען בסירה אחת עם מלח LiF (בקושי מכסה את הסירה, ~ 0.2 גרם) ו בסירה אחת עם מתכת ואלומיניום (4 כדורים).
3. סגור את תא אידוי מים במשאבות תא האידוי לכ 2 x 10 ^-6 Torr.
4. הגדר את התא להפקיד 1 ננומטר של LiF ואחריו 100 ננומטר של אלומיניום. במקרה הנוכחי, להשתמש בכוח 20% להפקדה LiF ולהשתמש כוח 26% להפקדה אל. שמוצג באיור 6 ב הוא ממשק שליטה המאייד של המערכת נעשה שימוש במחקר זה.
5. עצור משאבות פינוי למלא את התא עם גז חנקן. כאשר הלחץ חוזר בלחץ אטמוספרי, לקחת מצעים החוצה.

5. מדידת ביצועים פוטו

1. כן שקופית זכוכית כי היא חצירוחב של זכוכית איטו המשמש ייצור המכשיר. ביצוע שלב זה בתוך תא הכפפות. הדבק דבק אפוקסי לצד אחד של מצע זכוכית, וכן לכסות את האזור ההתקן באמצעות שקופיות זכוכית מצופה דבק אפוקסי (ראה איור 11 עבור מכשיר מדגם). כאשר אפוקסי ריפא, המכשיר יהיה אטום לחלוטין.
2. הפעל את המנורה סימולציה השמש ומוגדרת AM 1.5 קרינה עם 100 mW / ² ס"מ. ייצב את המנורה במשך כ 15 דקות לפני המדידה. שמוצג באיור 7 היא מערכת המדידה PV השתמשו במחקר זה.
3. הר המכשיר תחת סימולטור השמש במרחק הציע המכשיר. חבר את האנודה ואת הקתודה אל מעגל המדידה. קלט עקום נוכחי מתח באמצעות מודד חשמל באמצעות הפרוטוקול של היצרן.
4. לקבוע את הביצועים של המכשיר כדלקמן:
   J _SC: ומזרם קצר, הזרם המרבי מכשיר תאים סולריים יכולים לספק;
   _oc V : מתח מעגל פתוח, המתח המרבי מכשיר תאים סולרי יכול לספק;
   FF: למלא גורם, השטח המרבי ב עקומת IV מחולק _oc J _SC * V;
   PCE: יעילות ההמרה כוח, J _SC * _oc V * FF / ⁽² 100mW / ס"מ).

6. מדידה רנטגן Synchrotron

1. הגדרת תיבת הליום לדכא אוויר פיזור במדידת רנטגן. הר coater למות מיני חריץ לתוך תיבת הליום. שמוצג באיור 8 הוא הגדרת הניסוי של ניסויים דיפרקציה מרעה שכיחות רנטגן באמצעות תיבת הליום ב מתקדם מקור אור.
2. הר אינטרפרומטר אופטי על מכונת הדפוס לפקח על שינוי העובי מעל האידוי הממס. בניסוי זה, להשתמש במודל UVX (למשל, F20 Filmetrix). החומרים המשמשים בניסוי זה יש קליטת אור חזקה מ 300-900 ננומטר אורך גל.
   1. השתמש מקור מנורה של אינטרפרומטר האופטי הב ימנע ספיגת החומר. השתמש מנורת אורך גל 1,100-1,700 ננומטר בניסוי הזה. טרום לכייל את המכשיר לפני הניסוי בעקבות הליכי פעולתו.
3. שים את PEDOT: מצע רקיק מצופה PSS על בעל מצע של המדפסת ולהתאים את מיקום הראש ואת המצע לאחר שלב 3.2-3.5. הפעל את משאבת הוואקום ולוודא כי מצע רקיק מקלות לבעל המצע בחוזקה.
4. טהר את תיבת הליום כדי להסיר אוויר. שים לב רמת חמצן צריך להיות פחות מ 0.3 v%, אשר יכול להיות במעקב על ידי חיישן חמצן.
5. יישר את המצע במיקום שבו רנטגן פוגעת על פני המצע (לעומת סוף בהדפסה), ולקבוע את זווית שכיחות, 0.16 ° במקרה זה. יישר פי פרוטוקול קרן אונליין.
6. הגדר את שיטת הרכישה זמן נתוני החשיפה רנטגן. הנה, להשתמש 2 שניות כזמן החשיפה, ואחריו 3 שניות של זמן השהיה (כדי למנוע נזק קרן שרת). לכן כל תקופת ניסוי תהיהלהיות 5 שניות. ביצוע תור מתמשך של 100 חזרות; ובכך לקחת 100 תמונות.
7. שם הניסוי ולבחור את נתיב הנתונים לשמור קבצים ניסיוניים. שמוצג באיור 9 הוא ממשק המשתמש המתקדם מקור אור beamline 7.3.3 איפה את ההגדרות הנ"ל ניתן לאתר בקלות.
8. הזז את המצע למצב ההתחלתי על ידי הזנת למצב ההתחלתי בתוכנות שליטה מוטורית. הפעל את תריס רנטגן הגלאי ברציפות ירשום אותות עקיפים / פיזור.
9. הפעל את משאבת המזרק להאכיל פתרון לתוך ראש ההדפסה. כאשר הפתרון מתחיל להוציא מראש ההדפסה (פיקוח על ידי מצלמת מעקב), להתחיל את תהליך ההדפסה במהירות.
   הערה: כאשר מדידת המיקום שנבחר מראש הוא הגיע, 2-D גלאי יהיה ללכוד את אות הפיזור מפתרון. עובי הסרט יהיה פיקוח על ידי אינטרפרומטר. לכן אבולוצית סרט המורפולוגיה הדקה תתועד.
10. הרם את המדפסתראש ולנקות את הראש כאשר הניסוי נעשה.

תוצאות

שמוצג באיור 3 היא מערכת ציפוי מיני החריץ למות. הוא מורכב מכונת ציפוי אחד, משאבת מזרק אחד וקופסת שליטה מרכזית. מכונת הציפוי היא החלק החיוני, העשוי ראש למות חריץ, במת translational אופקית אחד, ועל במת translational אנכית אחד. ראש החריץ למות הוא רכוב על הבסיס ...

Discussion

השיטה המתוארת כאן מתמקדת בפיתוח שיטה להכנת סרט וניתן לשנותם בקלות בייצור תעשייתי. הדפסת סרט דקה ואפיון מורפולוגיה סינכרוטרון הם השלבים הקריטיים ביותר עם הפרוטוקול. במחקר OPV מדורג במעבדה קודם, ציפוי ספין משמש כשיטה הדומיננטית לפברק התקני סרט דקים. עם זאת, תהליך זה משת...

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