La stampa Fabbricazione di massa eterogiunzione celle solari e<em&gt; In Situ</em&gt; Morfologia Caratterizzazione

Riepilogo

Qui, vi presentiamo un protocollo per fabbricare celle solari a film sottile organico utilizzando uno stampo dispositivo a induzione mini slot e le relative caratterizzazioni struttura in linea con le tecniche di scattering di sincrotrone.

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.

Introduzione

fotovoltaico organico (OPV) sono una tecnologia promettente per la produzione di energie rinnovabili di costo-efficacia nel prossimo futuro. ^{1, 2, 3} sforzi tremendi sono stati fatti per sviluppare polimeri foto-attivi e fabbricare dispositivi ad alta efficienza. Fino ad oggi, singoli dispositivi strati OPV hanno raggiunto una efficienza di conversione di potenza> 10% (PCE). Queste efficienze sono stati ottenuti sui dispositivi su scala di laboratorio utilizzando spin coating per generare il film, e la traduzione di dispositivi su scala più grande formato è stata carica di una significativa riduzione del PCE. ^{4, 5} Nell'industria, roll-to-roll rivestimento della pellicola sottile (R2R) basato viene utilizzato per generare fotoni film sottili attivi su substrati conduttivi, che è abbastanza differente da processi tipici scala di laboratorio, in particolare nella velocità di rimozione del solvente. Questo è fondamentale in quanto le morfologie sono kinetically intrappolati, derivante dalla sinergia tra più processi cinetici, tra cui la separazione di fase, l'ordinazione, l'orientamento e l'evaporazione del solvente. ^{6, 7} Questa morfologia cineticamente intrappolato, però, determina in gran parte le prestazioni dei dispositivi a celle solari. Così, la comprensione dello sviluppo della morfologia durante il processo di rivestimento è di grande importanza per manipolare la morfologia in modo da ottimizzare le prestazioni.

L'ottimizzazione della morfologia richiede la comprensione della cinetica associata con l'ordinamento del polimero buco conduttore in soluzione come solvente viene rimosso; ^{8, 9} quantificare le interazioni del polimero con il conduttore di elettroni fullerene based; ^{10, 11, 12} comprensione dei ruoli di additivi nella definizione morfologia; ^{13, 14, 15} e bilanciare i tassi relativi di evaporazione del solvente (s) e additivi. ¹⁶ E 'stata una sfida per caratterizzare l'evoluzione della morfologia quantitativamente nel livello attivo in un ambiente di interesse industriale. Il processo di roll-to-roll è stato studiato per la fabbricazione di dispositivi di grandi dimensioni OPV. ^{4, 17} Tuttavia, questi studi sono stati condotti in un ambiente di produzione in cui vengono utilizzati grandi quantità di materiali, limitando efficacemente studi a polimeri disponibili in commercio.

In questo lavoro, la scheda tecnica di fabbricazione di dispositivi OPV utilizzando un sistema di rivestimento stampo mini slot sono dimostrati. parametri di rivestimento quali cinetica pellicola di essiccazione e il controllo dello spessore del film sono applicabili ai processi su larga scala, rendendo questo studio direttamente correlate a fa l'industrialubrificazioni. Inoltre, una piccola quantità di materiale è utilizzato nella mini esperimento rivestimento fessura stampo, rendendo questa elaborazione applica ai nuovi materiali sintetici. Nella progettazione, questo mini slot die coater può essere montato su stazioni finali sincrotrone, e pascolo pertanto incidenza piccola X-ray scattering angolo (GISAXS) e diffrazione a raggi X (GIXD) può essere utilizzato per consentire studi in tempo reale sull'evoluzione della morfologia su una vasta gamma di lunghezza scale in diverse fasi del processo di essiccazione film sotto una varietà di condizioni di lavorazione. Le informazioni ottenute in questi studi possono essere trasferiti direttamente ad un ambiente di produzione industriale. La piccola quantità di materiale utilizzato consente un rapido screening di un gran numero di materiali foto-attivi e loro miscele in varie condizioni di lavorazione.

Il diketopyrrolopyrrole semi-cristallino e quaterthiophene (DPPBT) basato banda bassa polimero coniugato viene utilizzato come materiale modello di donatori, e (6,6) fenil C71-butyric estere metilico (PC ₇₁ BM) viene utilizzato come accettore elettronico. ^{18, 19} è mostrato in studi precedenti che DPPBT: PC ₇₁ BM miscele formare grandi dimensioni separazione di fase quando si utilizza il cloroformio come solvente. A cloroformio: 1,2-diclorobenzene miscela solvente può ridurre la dimensione di separazione di fase e quindi aumentare le prestazioni del dispositivo. La formazione morfologia durante il processo di essiccazione solvente è studiato in situ da pascolo diffrazione incidenza dei raggi X e dispersione. Dispositivi di celle solari fabbricati usando il dado verniciatore mini slot ha mostrato un PCE media del 5,2% con le migliori condizioni di miscela di solventi, ²⁰ che è simile a spin-coating dispositivi fabbricati. Il dispositivo a induzione mini-slot di stampo si apre un nuovo percorso per fabbricare dispositivi di celle solari in un ambiente di laboratorio di ricerca che imita un processo industriale, colmando una lacuna nel predire la vitalità di questi materiali in un industrialmente relimpostazione Evant.

Protocollo

Preparazione Miscela Ink 1. Photon-attiva

1. Pesare 10 mg di polimero DPPBT e 10 mg di PC ₇₁ materiale BM (strutture chimiche mostrati nella Figura 1). Mescolare in un flaconcino da 4 ml.
2. Aggiungere 1,5 ml di cloroformio e 75 ml di 1,2-diclorobenzene nella miscela.
3. Mettere una piccola ancoretta nel flaconcino, chiudere la fiala con un tappo di politetrafluoroetilene (PTFE), e trasferire la fiala per un piatto caldo. Mescolare a ~ 400 rpm, e scaldare a ~ 50 ° C per una notte prima dell'uso.

2. ITO e Wafer substrato pulizia e la preparazione

1. Carico pre-modellata indio substrato di ossido di stagno (ITO) Vetro (1 pollice da 3 pollici, con la metà rimosso ITO) o wafer di silicio in un rack pulizia Teflon e mettere il rack in un contenitore di vetro (Figura 2). Aggiungere la soluzione diluita di detergente (300 ml, 1% soluzione detergente universale) nel contenitore di vetro e mettere il contenitore di vetro in sonicatore e ultrasuoni per 15 min.
2. Rimuovere il detersivo e risciacquare il vetro ITO con acqua deionizzata (DI) di acqua un paio di volte. Poi aggiungere acqua DI 300 ml nel contenitore, e mettere il contenitore di vetro in sonicatore per altri 15 minuti.
3. Rimuovere l'acqua dal contenitore. Aggiungere 300 ml di acetone nel contenitore, e con ultrasuoni per 15 min.
4. Rimuovere l'acetone. Aggiungere 300 ml 2-isopranol nel contenitore di vetro, e poi con ultrasuoni per 15 min.
5. Spostare la pulizia cremagliera fuori in un forno. Impostare la temperatura del forno a 100 ° C, e attendere 3-5 ore finché il vetro ITO è completamente asciugato.
6. Estrarre substrati puliti. trasferirli in un pulitore plasma pulitore UV-ozono o ossigeno. Utilizzare ad alta potenza UV-ozono o plasma per pulirli per ~ 15 minuti secondo il protocollo del produttore.
7. Mettere il substrato pulito su uno spin-dispositivo a induzione, aggiungere 150 ml di poli (3,4-ethylenedioxythiophene) polistirene sulfonato (PEDOT PSS) soluzione sul substrato pulito, e il cappotto rotazione a 3.000 giri al cappottoun ~ 30 nm PEDOT spessore: PSS (PEDOT PSS 4083) a film sottile su wafer o il vetro ITO o al silicio.
8. Togliere di spin rivestito substrati. Trasferire i substrati rivestiti freschi su una piastra riscaldante e ricottura a 150 ° C per 15 min.

3. Stampa Livello attivo

1. substrato di carico. Mettere il PEDOT: substrato ITO PSS rivestito sulla piastra di base del dispositivo a induzione mini slot di morire. Accendere la pompa a vuoto collegata al mandrino vuoto del coater scanalatura dado per tenere il substrato ermeticamente. (Vedi figura 3 per individuare i componenti differenti.)
2. Regolare la posizione di substrato per dirla proprio sotto testina di stampa. Questo può essere fatto utilizzando il manipolatore lineare sotto la piastra substrato.
3. Regolare la testa inclinando utilizzando il ribaltamento manipolatore 2-D che tiene la testina di stampa. Assicurarsi che la testa si erge verticalmente sulla parte superiore del substrato caricato. Si noti che in questo processo, la testina di stampa può essere abbassata in prossimità del substraTE. Utilizzare il divario tra la testa di stampa e substrato per mostrare se la testa è inclinata o no. Questo sarà estremamente utile quando si usa un substrato di wafer, poiché una minore immagine della testa di stampa apparirà e sarà molto più facile controllare l'inclinazione.
4. Tune la distanza testa-a-substrato a zero. Il motore verticale è accoppiato con un sensore di forza. Quando la testa di stampa è mobile, una lettura forza costante sarà ottenuta (dal peso della testa di stampa e inclinando assiemi manipolatore). Una volta testina di stampa tocca substrato, la lettura ridurrà, segnando la posizione zero. Vedere Figura 4 per l'impostazione del passo di distanza. Utilizzare la modalità jog nella messa a punto della distanza.
   NOTA: La piastra manipolatore traslazione verticale è collegato alla sua base con le molle e la costante della molla varia leggermente. Così piccole variazioni di sensore di forza sono inevitabili durante l'esperimento.
5. Impostare un valore testa-a-substrato per eseguire l'esperimento. In questo esperimento, impostare ladirigersi al substrato gap a 100 micron.
6. Regolare il motore fase traslazionale lineare che verrà utilizzato per stampare. Trovare il punto di partenza e punto finale. Registrare questi valori. La distanza corsa del motore lineare è di 100 mm. Qui, impostare 10 di posizione del motore mm come punto di partenza e la posizione 80 millimetri motore come punto finale.
7. Impostare la velocità di stampa di 10 mm / sec utilizzando il motore di controllo interfaccia software (Figura 4b). Impostare la velocità di accelerazione del motore fino a 100 m / sec.
   1. Se il motore non funziona correttamente o il software è un errore, riavviare il software e fare clic su "Attiva" e quindi "a casa" nell'interfaccia software. Si noti che durante il processo di stampa, la testina di stampa rimane fisso e il substrato si muove per erogare la soluzione e mimare il processo di stampa industriale.
8. Carico DPPBT: soluzione PCBM (temperatura ambiente) in 1 ml siringa e montare la siringa al pompa a siringa che è collegato allo slotdie stampante. Impostare i parametri di stampa nel controllo software (diametro siringa e velocità di alimentazione soluzione, 0,3 ml / min, in questo caso).
9. Avviare l'esperimento di stampa.
   1. Spostare il substrato al punto di partenza digitando la posizione del punto di partenza nella finestra di posizione nel controllo software. Si veda la Figura 4c per i dettagli.
   2. Inizia per pompare soluzione in testa slot di stampo cliccando l'avvio del software pompa a siringa. In alternativa, azionare manualmente la pompa a siringa. Per ogni rivestimento, saranno utilizzati in tutto ~ 100 ml di soluzione. Normalmente, usare 300 ml soluzione per la stampa prima volta e usare ~ 100 ml soluzione per la stampa ripetuta.
   3. avviare rapidamente il motore di traslazione quando la soluzione inizia ad uscire dalla testa di stampa, e il substrato si sposta alla posizione finale. Si prega di notare che questo è un passaggio fondamentale. Precaricare il motore di traslazione posizione finale nella finestra di posizione, e premere Invio per avviare il motore movement.
   4. Arrestare la pompa a siringa e sollevare la testina di stampa utilizzando il motore verticale. Girare il vuoto fuori e prendere il substrato al largo della piastra di base. Si noti che il volume morto per questa testa di stampa è di 250 microlitri, e riempiendo la prima volta richiede più di 250 ml di soluzione.
   5. Caricare il supporto stampato in un forno a vuoto per 3-5 ore per rimuovere il solvente residuo.
   6. Mettere una capsula di Petri sotto la testina di stampa. Pompa 10 ml di cloroformio nella testa di stampa per pulire la testina. Raccogliere soluzione cloroformica contaminato con il piatto Petri. Usare tamponi di cotone per pulire la testina di stampa, mentre il pompaggio della soluzione di pulizia. Dopo ogni ciclo di rivestimento, pulire la testina di stampa, in particolare quando si usa una soluzione diversa.
      NOTA: Il DPPBT: soluzione PCBM presenta con un colore verde scuro. Quando la pulizia è completata, nessun colore può essere visto dal solvente cloroformio.

4. elettrodo catodico Deposizione

1. caricare ilstrato attivo substrato rivestito su maschere d'ombra (Figura 5) e montare la maschera nella camera di evaporazione.
2. Mettere due barche evaporazione termica tra i perni elettrodi (Figura 6a). Caricare una barca con LiF sale (a malapena copre la barca, ~ 0,2 g) e una barca con metallo di alluminio (4 pellet).
3. Chiudere la camera di evaporazione e pompa lungo la camera di evaporazione a circa 2 x 10 ^-6 Torr.
4. Impostare la camera di depositare 1 nm di LiF seguito da 100 nm di alluminio. Nel caso attuale, usare il potere del 20% per la deposizione LiF e usare il potere il 26% per Al deposizione. In figura 6b è l'interfaccia di controllo evaporatore del sistema utilizzato in questo studio.
5. Smettere di pompe di evacuazione e riempire la camera con gas di azoto. Quando la pressione torna a pressione atmosferica, prendere i substrati fuori.

5. fotovoltaico Performance Measurement

1. Preparare un vetrino che è la metà dellalarghezza del vetro ITO utilizzata nella fabbricazione del dispositivo. Effettuare questa operazione in un vano portaoggetti. Incolla colla epossidica ad un lato del substrato di vetro, e coprire l'area periferica utilizzando i vetrini rivestiti colla epossidica (vedere Figura 11 per dispositivo campione). Quando la colla è indurita, il dispositivo sarà completamente sigillato.
2. Avviare la lampada simulazione solare e impostato su AM 1,5 radiazioni con 100 mW / cm ^2. Stabilizzare la lampada per circa 15 minuti prima della misurazione. Mostrato in figura 7 è il sistema di misura PV utilizzato in questo studio.
3. Montare il dispositivo sotto simulatore solare alla distanza dello strumento suggerito. Collegare l'anodo e il catodo al circuito di misura. Registrazione di una curva corrente-tensione con un multimetro elettrica utilizzando il protocollo del produttore.
4. Determinare le prestazioni del dispositivo come segue:
   J _sc: corrente di cortocircuito, la corrente massima che un dispositivo a celle solari in grado di fornire;
   V _oc : Tensione a circuito aperto, la tensione massima che un dispositivo cella solare può trasportare;
   FF: fattore di riempimento, la superficie massima in curva IV diviso per J _sc * V _oc;
   Efficienza di conversione di potenza, J _sc * V _oc * FF / (100mW / cm ^2): PCE.

6. sincrotrone di misura a raggi X

1. Impostare una scatola di elio per sopprimere dispersione dell'aria nella misurazione dei raggi X. Montare il mini slot coater die nella casella di elio. In figura 8 è la configurazione dell'esperimento di esperimenti di diffrazione a raggi X ad incidenza radente utilizzando una scatola elio a avanzata sorgente luminosa.
2. Montare un interferometro ottico sulla macchina da stampa per monitorare la variazione di spessore sopra l'evaporazione del solvente. In questo esperimento, utilizzare un modello UVX (ad esempio, Filmetrix F20). I materiali che vengono utilizzati in questo esperimento hanno un forte assorbimento di luce da 300-900 nm.
   1. Utilizzare una lampada sorgente di interferometro ottico °a evita l'assorbimento del materiale. Utilizzare una lampada lunghezza d'onda di 1,100-1,700 nm in questo esperimento. Pre-calibrare lo strumento prima dell'esperimento secondo le sue procedure operative.
3. Mettere il PEDOT PSS substrato di wafer rivestito sul titolare substrato della stampante e regolare la posizione della testa e del substrato passo successivo 3,2-3,5. Accendere la pompa a vuoto e fare in modo che il substrato di wafer si attacca alla porta substrato ermeticamente.
4. Eliminare la casella di elio per eliminare l'aria. Si noti che il livello di ossigeno dovrebbe essere inferiore al 0,3% v, che può essere monitorato dal sensore di ossigeno.
5. Allineate il substrato nella posizione in cui i raggi X incide sul substrato (la posizione finale in stampa), e impostare l'angolo di incidenza, 0.16 ° in questo caso. Allineare secondo il protocollo fascio-line.
6. Impostare il metodo di acquisizione dei raggi X tempo di esposizione e dei dati. Qui, usare 2 sec il tempo di esposizione, e seguito da 3 secondi di tempo di ritardo (per evitare danni fascio server). Così ogni periodo di esperimentoessere di 5 sec. Effettuare una coda continua di 100 ripetizioni; quindi scattare 100 immagini.
7. Nome l'esperimento e scegliere il percorso di dati per salvare i file sperimentali. Mostrato in Figura 9 è la linea di luce 7.3.3 interfaccia utente Advanced Light Source in cui le impostazioni di cui sopra possono essere localizzati facilmente.
8. Spostare il substrato alla posizione di partenza inserendo la posizione di partenza nel software di controllo del motore. Avviare l'otturatore di raggi X ed il rivelatore continuamente registrare segnali diffrazione / dispersione.
9. Avviare la pompa a siringa per alimentare soluzione in testa di stampa. Quando la soluzione inizia a fuoriuscire dalla testa di stampa (monitorata da una telecamera di sorveglianza), avviare rapidamente il processo di stampa.
   NOTA: Quando viene raggiunta la posizione di misura prescelto, rivelatore 2-D catturerà il segnale dispersione dalla soluzione. Spessore del film sarà monitorato da interferometro. Così il sottile evoluzione della morfologia pellicola verrà registrato.
10. Sollevare la stampantetesta e pulire la testa quando esperimento è fatto.

Risultati

Mostrato in figura 3 è il sistema di rivestimento die mini-slot. Si compone di una macchina di rivestimento, una pompa a siringa e una scatola di controllo centrale. La macchina di rivestimento è parte essenziale, che è fatto di una testa scanalatura dado, uno stadio traslazionale orizzontale, ed uno stadio di traslazione verticale. La testa scanalatura dado è montato alla base di un motore di traslazione verticale attraverso un 2-D inclinazione manipolatore.

Discussione

Il metodo qui descritto si concentra sullo sviluppo di un metodo di preparazione del film che può essere facilmente trasformato in produzione industriale. stampa a film sottile e la caratterizzazione di sincrotrone morfologia sono i passaggi più critici con il protocollo. In precedenti ricerche di laboratorio in scala OPV, spin coating viene utilizzato come metodo dominante per fabbricare dispositivi a film sottile. Tuttavia, questo processo utilizza alta forza centrifuga a diffondersi soluzione BHJ, che è molto dive...

Materiali

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