Name: in situ grazing incidence small angle x-ray scattering on roll-to-roll coating of organic solar cells with laboratory x-ray instrumentation
Uploaded: 2021-03-02T13:00:00
Duration: 6 min 49 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about In situ Grazing Incidence Small Angle X-ray Scattering on Roll-To-Roll Coating of Organic Solar Cells with Laboratory X-ray Instrumentation at JoVE.com

Forfatterne vil gerne anerkende de to teknikere, der var med til at genopbygge og vedligeholde instrumentet, Kristian Larsen og Mike Wichmann. Forfatterne vil desuden gerne takke Roar R. Søndergaard og Anders Skovbo Gertsen for frugtbare diskussioner. Denne undersøgelse blev støttet af Det Europæiske Forskningsråd (ERC) under Den Europæiske Unions Horizon 2020-forsknings- og innovationsprogram (SEEWHI Consolidationor grant No. ERC-2015-CoG-681881).

Denne protokol er opdelt i fem underafsnit. For det første præsenteres en procedure for forberedelse af blæk. For det andet beskrives proceduren for tilberedning og udførelse af roll-to-roll slot-die-belægning. For det tredje præsenteres en trinvis vejledning til udførelse af et in situ GISAXS-eksperiment. For det fjerde skitseres en procedure for datakorrektion og -analyse. Endelig rapporteres og diskuteres resultaterne.
1. Tilberedning af trykfarver til rulle-til-rulle-belægning (dag 1)
<ol><li>Læs msds af polymerer, molekyler og opløsningsmidler omhyggeligt, før du starter et eksperiment.</li>
	<li>Der anbringes 90 mg O-IDTBR og 90 mg P3HT i et 10 mL hætteglas.</li>
	<li>P3HT:O-IDTBR-faste stoffer opløses i 4,5 ml dichlorbenzen:bromoanisål (0,95:0,05) opløsningsmiddelblanding. Den endelige koncentration af blækket er derefter 180 mg / 4,5 mL = 40 mg/mL.</li>
	<li>Placer en magnetisk omrører i opløsningen, og forsegl straks hætteglasset. Placer det forseglede hætteglas på en kogeplade med en magnetisk rotator. Sæt rotationen til 300 omdrejninger i minuttet og kogepladen til 60 °C, og lad den omrøre i 12 timer.</li>
	<li>Gentag fremgangsmåden for trykfarveforberedelse til P3HT:EH-IDTBR.</li>
</ol>2. Forberedelse og udførelse af roll-to-roll slot die coating (Dag 2)
<ol><li>Sluk for rotationen og kogepladen. Tag hætteglassene ud af kogepladen mindst 1 time før brug for at opnå rumtemperatur på trykfarverne ved belægning.</li>
	<li>Vind 18 m PET-substratfolie på føderullen. Fastgør den frie ende af underlaget til winderrullen som vist i figur 5. Start motoren for at køre folien 0,2 m for at stramme substratet.</li>
	<li>Sæt den første kogeplade i rulle-til-rul-opsætningen ved den ønskede temperatur (dvs. 60 °C). Den anden kogeplade indstilles til 80 °C for at sikre, at filmen tørres, når den vikles på winderrullen. Vent ca. 15 minutter på, at temperaturen på de to kogeplader stabiliseres.</li>
	<li>2,2 mL blæk ind i en 3 mL sprøjte. Monter sprøjten i pumpen. Fastgør et rør fra sprøjten til slot-die belægning hovedet.</li>
	<li>Placer belægningshovedet tæt på enden af den første kogeplade ved at justere den vandrette oversættelsesfase, og placer meniskguiden ca. 5 mm over substratet.</li>
	<li>Sæt sprøjtepumpen ved følgende belægningsindstillinger: Hastighed: 0,08 mL/min. sprøjtens diameter: 12,7 mm.</li>
	<li>Kontroller tykkelsen af det aktive lag d ved at justere strømningshastigheden fog hastigheden på det bevægelige substrat vi henhold til denne formel: <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/61374/61374equ1v2.jpg"> hvor w er filmens bredde (bestemt af meniskguiden), og ρ er massefylden af materialerne i blækket. I dette eksperiment bruger vi v=0,6 m/min. med en strømningshastighed på f=0,08 mL/min, hvilket resulterer i en film med en tør tykkelse på 425 nm.</li>
	<li>
Kritisk trin: Tryk manuelt på blækket fra sprøjten gennem slangen og stop 1 cm, før blækket når belægningshovedet. Start sprøjtepumpen og vent på en dråbe for at våd hele bredden af menisk-guiden. Sænk straks belægningshovedet for at vådt substratet med blækket og løft derefter meniskguiden til belægningspositionen 2 mm over substratet.</li>
	<li>Start motoren, der afvikler substratet, og begynd at belægge blækket.</li>
	<li>For at stoppe belægningen skal du stoppe pumpen og stoppe det bevægelige substrat. Hæv belægningshovedet til en sikker højde (ca. 20 mm over substratet). Rengør derefter hoved og slange med tetrahydrofuran.</li>
</ol>3. Dag 2: In situ roll-to-roll GISAXS eksperimenter
<ol><li>Beskrivelse af røntgenopsætning BEMÆRK: Den samlede længde af græsningsforekomsten Lille vinkel X-ray setup er 4,5 m og består af en røntgenkilde, der fokuserer optik, en collimation sektion, en prøve fase, en flyvning rør, stråle stop, og en detektor, som vist i figur 6. Røntgenkilden er en roterende anode fra Rigaku.<ol>
<li>Brug en kobberode til dette eksperiment, og sæt driftstilstanden til 36 kV og 36 mA.</li>
		<li>Brug eksperimentet i finfokus. Optik består af en 2D-fokus multilayer monokromator, som er justeret for at optimere afspejlingen af Kobber Kα stråling med en bølgelængde på 1,5418 Å. Collimationsafsnittet består af tre pinholes placeret henholdsvis 45 cm, 141 cm og 207 cm nedstrøms fra røntgenkilden. Pinholes diameter er henholdsvis 0,75 mm, 0,3 mm og 1,0 mm i diameter med en sondestørrelse på ca. 1,0 mm ved prøvepositionen, svarende til et strålefodaftryk på 286 mm ved 0,2° incidensvinkel. Strålen har en flux ved prøven på 5 x 106 fotoner s-1 og en profil som vist i figur 7, venstre panel.</li>
		<li>Sørg for, at der er mindst tre kontrollerbare motorer i prøvefasen for at justere placeringen af mini-rulle-til-rulle-coateren. Neden for prøvestadiet skal der installeres et 166 cm evakueret flyverør (mindre end 0,01 mbar) på stativet efterfulgt af en Eiger 4M røntgendetektor31.</li>
	</ol></li>
	<li>Installer rullefrakkeren.<ol>
<li>Fastgør mini roll-to-roll coater til goniometeret. Monter goniometeret med rulle-til-rul-coateren på den optiske bænk i prøvepositionen.</li>
		<li>Fastgør de tre motorkabler. Fastgør goniometerstadiet til bænken. Indflyvning af flyrøret så tæt på mini roll-to-roll coater som muligt.</li>
	</ol></li>
	<li>Kritisk trin: Juster prøvepositionen. Coat 10 cm af blækket og rul filmen ind i strålen. Proceduren for justering er tredobbelt.<ol>
<li>Prøven justeres parallelt med strålen. Dette opnås ved en iterativ proces med at scanne den samlede intensitet af den direkte stråle som en funktion af den lodrette prøveposition og incidensvinkel.</li>
		<li>Prøven justeres efter en bestemt incidensvinkel αived at beregne vinklen fra den reflekterede stråle på detektoren med følgende formel: <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/61374/61374equ2v3.jpg">  (1) hvor RB er den reflekterede stråleposition, db er den direkte stråleposition (begge målt i cm), og SDD er prøve-til-detektor afstand, her 166 cm.</li>
		<li>Optimer intensiteten i den reflekterede stråle ved at scanne prøvepositionens højde. Til dette eksperiment skal du bruge en incidensvinkel på 0,2°. 2D-dataene for denne procedure er vist i figur 7.</li>
	</ol></li>
	<li>Valg af incidensvinkel<ol>
<li>Vælg incidensvinklen for at sikre indtrængning i de lag af interesse. Her vil dette være en incidensvinkel på 0,2°. BEMÆRK: Til dette eksperiment består filmen af interesse af opløsningsmiddel, P3HT og IDTBR. Både P3HT og O-IDTBR har en højere tæthed end opløsningsmidlet og har formentlig den højeste kritiske vinkel til total refleksion. Den kritiske vinkel på P3HT og O-IDBTR kan variere afhængigt af deres pakning, hvilket resulterer i en kritisk vinkel, der varierer fra 0,16° - 0,19°, under forudsætning af en massefylde af det faste stof på 1,1 - 1,35 g/cm3. Således blev 0,2° valgt for at sikre indtrængning i hovedparten af filmen. Hvis du vil udføre et GISAXS-eksperiment på et andet prøvesystem, skal du evaluere den bedst egnede incidensvinkel for en bestemt prøve28,59.</li>
	</ol></li>
	<li>Installer strålestoppet lige før detektoren, hvilket forlænger detektorens levetid. Brug et cirkulært strålestop til den direkte stråle og et ekstra tyndt rektangulært strålestop for at blokere den reflekterede stråle. Strålestoppet skal blokere den direkte stråle, men samtidig gøre det muligt at detektere spredning ved lave spredningsvinkler. BEMÆRK: Det er muligt at udføre dette eksperiment uden et strålestop for at muliggøre konstant sporing af den reflekterede stråle.</li>
	<li>Installer punkt-sugning. Placer punktsugningen for at fjerne alle gasserne fra de fordampende opløsningsmidler. Spænd punktsugningen for at sikre, at luftstrømmen ved prøven er den samme ved hvert forsøg.</li>
	<li>Lad en sprøjte med 2,2 mL blæk og læg sprøjten i sprøjtepumpen. Tryk manuelt på blækket fra sprøjten gennem slangen og stop 1 cm, før blækket når belægningshovedet.</li>
	<li>Indstil afstanden fra belægningshovedet til røntgenstrålen. Belægningshovedet anbringes i en position på 120 mm, der er fordrevet fra røntgenstrålen langs foliens bevægelige retning, for at sikre en tørretid på 12 sekunder (i 3 sekunders tørretid skal belægningshovedet placeres 30 mm fra røntgenstrålen) som vist i figur 8.</li>
	<li>Start roll-to-roll slot-die belægning. Placer meniskguidens højde 5 mm over substratet.<ol>
<li>Start sprøjtepumpen og vent på en dråbe for at våd hele bredden af menisk-guiden. Sænk straks belægningshovedet for at vådt substratet med blæk, og løft derefter meniskguiden til belægningspositionen 2 mm over substratet.</li>
		<li>Start motoren, der afvikler substratet, og begynd at belægge blækket.</li>
	</ol></li>
	<li>Begynd at optage data. Åbn røntgenskodden, og begynd at optage data i 3000 sekunder. BEMÆRK: Dette eksperiment blev udført med en eksponering på 3000 sekunder, en mere robust metode er at udføre flere kortere eksponeringer for at muliggøre fleksibel tidsmæssig binning af data.</li>
	<li>Overvåg kvaliteten af den belagte film med et kamera. Kig efter af-betændte effekter af filmen på substratet og menisken skæve. Hvis det er nødvendigt, skal du stoppe målingerne og gentage forsøget.<ol>
<li>I slutningen af eksperimentet skal du lukke røntgenskoddet. Sluk for røntgenstrålen på afstand. Stop sprøjtepumpen, hæv belægningshovedet, og slap af i folien. I forbindelse med en række eksperimenter skal du gentage denne procedure med en anden indstilling.</li>
	</ol></li>
</ol>4. Databehandling
BEMÆRK: Der blev udført fire forsøg, og de specifikke parametre findes i tabel 2. Et af forsøgene med P3HT:O-IDTBR blev stoppet efter 2732 sekunder på grund af en sprøjtepumpefejl; Signalet skal derfor normaliseres for at tage højde for forskellen i anskaffelsestid.
<ol><li>Datakorrektion<ol>
<li>Brug først en maske til at korrigere for strålestoppet og døde pixel33. Følg med en kosmisk stråle filter udvikle ved SAXSLAB, derefter fladt felt korrektion, tidskorrektion, et filter for den ekstra spredning toppe som følge af polykrystallinsk aluminium, der er tydeligt synlige i de to datasæt vist i figur 9, venstre panel.</li>
	</ol></li>
	<li>Fra ægte til gensidigt rum<ol>
<li>Konverter 2D-dataene fra det virkelige rum til den gensidige rumvektor qx,y,z i enheder af Å-1 ved hjælp af denne formel: <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/61374/61374equ3v2.jpg">  (2) Her er αjeg incidensvinklen med hensyn til overfladens normale, α f er udgangs-/slutvinklen på detektoren (lodret på detektoren), 2θf er udgangs-/slutvinklen i flyet (vandret på detektoren), og λ er bølgelængden af hændelsesstrålen. Antag, at bølgelængden skal bevares, også kendt som elastisk spredning34.</li>
	</ol></li>
	<li>Integration af vandret linje på Yoneda-linjen<ol>
<li>X- og y-koordinaten for strålens centrum bestemmes henholdsvis prøven til detektorafstanden (SDD = 1,66 m), bølgelængden af røntgenstrålerne (1,5418 Å) og pixelstørrelsen i hver retning (75 x 75 μm2). </li>
		<li>Den forventede position af Yoneda-linjen beregnes ud fra den kritiske vinkel på den undersøgte prøve28,34,35,36.</li>
		<li>Hent spredningsintensiteten som en funktion af spredning af vektor qxyved hjælp af et MatLab-script eller ved hjælp af dedikeret software som DPDAK eller Xi-Cam38,39. Udfør vandret linjeintegration langs Yoneda-linjen som angivet i figur 9med en bredde på 50 pixel til hver side for at sikre et tilfredsstillende signal-til-støj-forhold.</li>
	</ol></li>
	<li>Placering af horisontal integration<ol>
<li>Hvis du vil undgå oversampling (se figur 9, højre panel) og for at øge signal-til-støj-forholdet for de store spredningsvektorer qxy, skal du smide dataene logaritmisk40.</li>
		<li>Datapunkterne må ikke smides op, før qxy = 0,5 x 10-3Å. Dette er ikke nødvendigt på grund af den høje intensitet og gensidige afstand i q-space, hvilket sikrer, at der ikke er overflødige datapunkter.</li>
		<li>Fra qxy = 0,5 x 10-3Å og derover skal du opdele qxy-akseni 135 lige store placeringer på en logaritmisk skala på en sådan måde, at den første placering ved qxy = 0,53 x 10-3Å er gennemsnittet af to datapunkter, og det sidste binerede punkt ved qxy = 0,3Å er et gennemsnit på 24 point.</li>
	</ol></li>
	<li>Anvendelse af Teubner-Strey-modellen<ol>
<li>Anvend tre Teubner-Strey-bidrag for at beskrive dataene. De to første bidrag beskriver kontrasten mellem donoren/acceptoren og det sidste bidrag beskriver kontrasten mellem større aggregater af materialer omgivet af opløsningsmidlet. Det matematiske udtryk for spredningsintensiteten er som følger: <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/61374/61374equ8v2.jpg">  (3) hvor β er en konstant baggrund, defineres parametrene a1,i, c1,i, c2,i med hensyn til domænestørrelse, d iog korrelationslængde i,som følger: <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/61374/61374equ9v6.jpg"> (4) Fra ligninger (4) kan domænestørrelsen og korrelationslængden udtrykkes på følgende måde: <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/61374/61374equ10v2.jpg">  (5) Og <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/61374/61374equ11v2.jpg">  (6) hvor d1, ο1,d2 og χ 2 er parametrene for donor/acceptorfasen, og d3 og 3 er parametrene for de aggregerede/solvente faser. De monterede modeller er vist i figur 10. Resultaterne fra de fire anfald, der er baseret på den beskrevne Teubner-Strey-model, findes i tabel 3.</li>
	</ol></li>
</ol>

Forfatterne har intet at afsløre.

Incidensvinklen er meget vigtig for et GISAXS-eksperiment. Det kan sættes spørgsmålstegn ved, hvor stabil filmen vil bevæge sig med hensyn til incidensvinklen under roll-to-roll belægning af 18 meter film på et fleksibelt substrat. For de eksperimenter, der udføres i denne demonstration, kan vi ikke bevise stabiliteten af det bevægelige substrat, men tidligere offentliggjorte data, hvor der bruges en ældre version af opsætningen, dokumenterer en stabil film18,21. Tidligere synkrotroneksperimenter, hvor denne rulle-til-rulle-coater er blevet anvendt, har vist, at incidensvinklen ikke varierer mere end ± 0,03° som evalueret af placeringen af den reflekterede stråle som en funktion af tiden (med en tidsmæssig opløsning på 0,1 s), hvilket svarer til ± 12 pixel fra Yoneda-linjen til dette eksperiment, der henviser til, at den horisontale linjeintegration blev foretaget med ± 50 pixels. Under forudsætning af denne analyse vil denne lille ændring i incidensvinklen ikke påvirke analysen af dette arbejde og kan derfor overses. I fremtiden bør denne type forsøg udføres uden et strålestop og med kontinuerlig indsamling af data for at undersøge incidensvinklen under hele forsøget.
Luftkonvektion over tørrefilmen, relativt tryk og relativ luftfugtighed er kendt for at påvirke tørringsprofilen af tyndfilm; Således, at gøre en fuldt reproducerbar eksperiment, omhyggeligt at måle disse parametre er en nødvendighed. Sammenligningen mellem de fire målinger i dette dokument er gyldig, fordi disse blev belagt under nøjagtig de samme forhold samme dag.
For at udføre et roll-to-roll in situ GISAXS-eksperiment skal flere kriterier være opfyldt for at sikre et vellykket eksperiment. Forskellene i elektrontæthed (kontrast) mellem materialerne skal være høje nok til at have et spredningssignal. Retningslinjerne for dette emne er blevet offentliggjort J. Als-Nielsen et al.53.
På grund af den lave røntgenflux af en laboratoriekilde i forhold til en synkrotron er der brug for meget mere materiale for at udføre sådanne eksperimenter. Det er således ikke fuldt ud relevant for materialeopdagelse, men vil fungere som et værktøj til optimering af formuleringer af trykfarver, der er relevante for OPV'er. Derudover er det på grund af den lave flux kun muligt at udføre grovere eksperimenter med hensyn til den tidsmæssige opløsning af tørre blæk. Under sådanne eksperimenter undersøger vi 18 meter aktivt lag under tørring. Vi forventer små variationer i den store morfologi gennem hele eksperimentet, og vi undersøger derfor gennemsnittet af 18 meter belagt film. Dette efterligner betingelserne for en storstilet fabrikation. Hvis inhomogeniteten inden for få meter skal undersøges, er synkrotronstråling nødvendig.
Udførelse af eksponeringer på 3000 sekunder er ikke det optimale eksperimentelle design. En mere robust metode er at udføre flere kortere eksponeringer for at muliggøre fleksibel tidsmæssig binning af data for at analysere de store homogeniteter og til enhver tid undersøge incidensvinklen.
Så vidt vi ved, er dette den første demonstration af at udføre en in situ GISAXS på roll-to-roll belægning af blæk til OPV'er på en laboratorie røntgenkilde, selvom vi tidligere har demonstreret lignende eksperimenter, der analyserer det krystallinske diffraktionssignal54,55. Med denne demonstration og protokol, mener vi, at det vil være lettere at anvende og udføre in situ GISAXS eksperimenter for forskere, studerende og udvikle ingeniører. Dette kan potentielt fremskynde forskningsfeltet, simpelthen fordi det er muligt at få adgang til sådant udstyr på daglig basis. Derudover, ved hjælp af en roll-to-roll coater er det muligt at sammenligne solcelle ydeevne med de strukturelle egenskaber probed i dette eksperiment, 1:1.
Forbedringer af den eksperimentelle opsætning er nødvendige for at udnytte alle fordelene ved at have en intern røntgenkilde. Ud over at øge den brugbare røntgenflux for små laboratoriekilder er det første skridt til forbedring af dette eksperiment at undgå spredning af toppe fra aluminium, der ligger over dataene, som vist i figur 9 (til venstre). Dette kan realiseres ved at installere en røntgenabsorberende substratholder, der kan modstå temperaturer op til 150 °C for korrekt opvarmning. Derudover vil afskærmningsspalter lige før prøven forbedre datakvaliteten. Denne demonstration er ikke udelukkende af interesse for forskning i den organiske solcelle samfund, men ethvert område, der er forsker eller optimere belægning parametre for tynd-film teknologier. Ved at kombinere denne teknik med samtidige GIWAXS, hvor krystallinske strukturer undersøges, vil yderligere øge antallet af videnskabelige områder, hvor der i huset roll-to-roll røntgenforsøg er gældende.
Da disse in situ roll-to-roll eksperimenter er sondering våde film, er det gavnligt, hvis opløsningsmidlet ikke absorberer for store fraktioner af den belyste X-ray stråle. Generelt polymer:PCBM systemer har en stor kontrast og kombineret med et opløsningsmiddel, der ikke indeholder klor (som er en stærk X-ray absorber) vil garantere en stor kontrast, og dermed en høj spredning intensitet. Til dette eksperiment er kontrasten mellem P3HT:IDTBR lille, og kombineret med et kloreret opløsningsmiddel er spredningsintensiteten lav. Disse materialer er ikke ideelle til et sådant eksperiment, men meget interessante for solceller, hvorfor denne teknik skal videreudvikles for at sikre, at systemer med lav kontrast og høj absorbans også kan undersøges. Valget af model er den mest afgørende faktor for at udføre en komparativ analyse på tværs af flere GISAXS-eksperimenter. Til den analyse, der præsenteres i dette dokument, blev rammerne for Teubner-Strey anvendt til at beskrive de fire datasæt. Den bedste metode til at vælge en model er at besidde ab initio oplysninger om formen og størrelsen af den undersøgte prøve. Dette kan opnås fra enten TEM-billeder, simuleringer eller mikroskopbilleder. Ræsonnementet bag vores valg af model er angivet i teksten, men det skal bemærkes, at flere modeller kan vælges til at beskrive sådanne GISAXS-data. Teubner-Strey-modellen blev oprindeligt udviklet til transmission af SAXS, men har med succes modelleret GIWAXS-data fra BHJ-solceller før51 og nu her. Yderligere forbedringer er at tilpasse abstrakte geometriske modeller som kendt fra molekylær dynamik simuleringer og anvende DWBA til model 2D-data. Alternative modeller omfatter: strenge geometriske objekter med en grad af polydispersefordeling af størrelse som beskrevet og anvendt i53, hvor DWBA er nødvendig for at modellere 2D-data, en kombination af Fresnel-refleksionsevne og gaussiske fordelinger for at passe til ordnede systemer, da co-block polymerer GISAXS signalerer56, perlemodeller hovedsagelig til biologiske prøver57og fraktalgeometri58,59.

Organisk solceller (OPV'er) repræsenterer en af de mest lovende nye solcelleteknologier. OPV'er kan muliggøre storstilet produktion af en omkostningseffektiv vedvarende energikilde baseret på ikketoksiske materialer med bemærkelsesværdige korte energiredler1. Den fotoaktive del i OPV'er er et ca. 300-400 nm tykt lag af ledende polymerer og molekyler, som kan udskrives med en hastighed på flere meter i minuttet ved roll-to-roll belægningsteknikker1. Denne tyndfilmsteknologi er fleksibel, farverig og let, hvilket åbner stier til nye solenergimarkeder, såsom Internet-of-Things, bygningsintegration, dekorative installationer og hurtig installation / afinstallation i meget stor skala2,3,4,5. Desuden består OPV'er udelukkende af rigelige og ikketoksiske elementer, som gør dem begge billige at producere og genanvende. Derfor får denne teknologi stigende opmærksomhed fra industrien og den akademiske verden. Der er gjort en enorm indsats for at optimere hvert lag i den komplette stak, der udgør den organiske solcelle, og der er gjort en masse teoretisk og eksperimentel forskning for at forstå den underliggende fysik i OPV'er6,7,8. Den enorme interesse for teknologien har skubbet feltet til sin nuværende tilstand, hvor mester enheder fremstillet i laboratorier overstiger 18% effektivitet9. Opskalering af fabrikationen (dvs. flytning fra spin-coating på stive substrater til skalerbar deposition på fleksible substrater) ledsages imidlertid af betydelige tab i effektivitet10. At bygge bro over denne kløft er således altafgørende for OPV'er at blive konkurrencedygtige med andre kommercielt tilgængelige tyndfilms solcelleteknologier.
OPV er en tyndfilmsteknologi, der består af flere funktionelle lag. I denne demonstration er fokus udelukkende på det fotoaktive lag. Dette lag er især vigtigt, da det er her fotonerne absorberes, og fotostrømmen genereres. Det fotoaktive lag består typisk af mindst to bestanddele, nemlig en donor og en acceptor. Her er der fokus på donorpolymeren P3HT i kombination med enten O-IDTBR eller EH:IDTBR som acceptor11med de kemiske formler som vist i figur 1. Det optimale design af det fotoaktive lag beskrives som et bulk heterojunktion (BHJ), hvor forbindelserne blandes i hele enheden, som vist i figur 2. BHJ opnås ved slot-die belægning af en blæk bestående af donoren og acceptoren i opløsning10. Mens det våde blæk belægning på substratet, opløsningsmiddel molekyler fordampe, hvilket efterlader donor og acceptor i en blandet tilstand. Fordelingen af donor/acceptor med hensyn til faseadskillelse, orientering, bestilling og størrelsesfordeling kaldes almindeligvis BHJ's morfologi. Morfologien af det aktive lag spiller en væsentlig rolle i solcelleydelsen på grund af arbejdsprincippets karakter4,12. Arbejdsprincippet er illustreret i figur 2 og kan beskrives i fire trin: For det første absorberes en indkommende foton og ophidser en elektron fra den højeste besatte molekylære orbital (HOMO) til den laveste ubesatte molekylære orbital (LUMO). Hullet (en ledig tilstand i HOMO) og den ophidsede elektron er bundet sammen. Dette bundne elektronhul-par kaldes en exciton. For det andet er exciton fri til at bevæge sig rundt, og den omtrentlige gennemsnitlige frie vej før rekombination er 20 nm6. For det tredje, når exciton er i nærheden af en grænseflade mellem donor og acceptor, er det energisk gunstigt at adskille i en fri elektron i LUMO af acceptoren og et frit hul i HOMO af donoren. For det fjerde, hvis enheden er tilsluttet et kredsløb, vil afgifterne derved blive transporteret til anoden og katoden. For at forbedre funktionaliteten af OPV'er skal morfologien optimeres til at rumme hvert af de fire trin for at sikre, at BHJ absorberer så mange af de indkommende fotoner som muligt og genererer så mange bevægelige opladninger som muligt. Det store videnskabelige spørgsmål om den optimale morfologi forbliver.
Dette er stadig et åbent spørgsmål, og proceduren for optimering af morfologien for en bestemt kombination af donor og acceptor udføres indtil videre ved trial and error. Optimale belægningsforhold for blandingen P3HT:O-IDTBR og P3HT:EH-IDTBR er blevet rapporteret13,14. Lignende eksperimentelle parametre blev brugt her til at forberede både P3HT:O-IDTBR og P3HT:EH-IDTBR roll-coated på et fleksibelt substrat ved 60 °C, som beskrevet af Kuan Liu et al.15. De roll-coatede OPV'er har en omvendt struktur16 og er fremstillet på fleksible substrater uden indium tinoxid (ITO-fri), med strukturen PET/Ag-grid/PEDOT:PSS/ZnO/P3HT:O-IDTBR eller EH-IDTBR/ PEDOT:PSS/Ag-grid, hvor lyset kommer ind gennem PET-substbr- eller EH-IDTBR/PEDOT:PSS/Ag-nettet, hvor lyset kommer ind gennem PET-substbr- eller EH-IDTBR/PEDOT:PSS/Ag-nettet, hvor lyset kommer ind gennem PET-substbr- eller EH-IDTBR/PEDOT:PSS/Ag-nettet, hvor lyset kommer ind gennem PET-substratet. PEDOT:PSS er en forkortelse for poly(3,4-ethylendioxythiophen) polystyrensulfonat, og PET er poly(ethylenterephthalat). Efter fabrikation skæres den endelige stak til små solceller med et fotoaktivt område på 1 cm2.
Standard midler til at karakterisere resultaterne af solceller omfatter måling af den aktuelle tæthed vs spænding (J-V) kurver og den eksterne kvante effektivitet (EQE) spektre. For både P3HT:O-IDTBR og P3HT:EH-IDTBRvises resultaterne i figur 3 og tabel 1. Den lave 2,2% PCE af P3HT:EH-IDTBR solcellen skyldes dens lavere kortslutningsstrøm (JSC), som delvis er begrænset af seriemodstanden (Rs) på 9,0 Ω,cm2 sammenlignet med P3HT:O-IDTBR på 7,7 Ω,cm2. Spændingen i det åbne kredsløb (VOC) er den samme i begge enheder (tabel 1), som afspejler de to acceptorers elektroniske lighed. Det fotovoltaiske båndgab i P3HT:O-IDTBR- og P3HT:EH-IDTBR-solcellerne er henholdsvis 1,60 eV og 1,72 eV i overensstemmelse med de optiske egenskaber, der observeres af rødforskydningen i EQE, og som er rapporteret af Enrique P. S. J. et al.13. Normalt skyldes en rødforskydning en mere krystallinsk struktur, og det forventes derfor, at O-IDTBR har en højere grad af krystallinitet end EH-IDTBR for de specifikke belægningsforhold. Den forbedrede JSC af P3HT:O-IDTBR solcelle er til dels på grund af sin bredere spektrale absorbans og enheden forarbejdning forbedringer. De integrerede EQE-strømme for EH-IDTBR- og O-IDTBR-baserede enheder er 5,5 og 8,0 mA/cm2 under 1 solbelysning som vist i figur 3. Fra EQE-profilerne kan det ses, at 1:1-masseforholdet er tæt på ideelt til P3HT:O-IDTBR, men ikke er optimalt for P3HT:EH-IDTBR. Forskellene i enhedens ydeevne kan delvis forklares ved tilstedeværelsen af pinholes i P3HT:EH-IDTBR-filmen, mens P3HT:O-IDTBR ser glat ud som vist i figur 4. Pinholes i P3HT:EH-IDTBR materialesystemet er dækket af det efterfølgende PEDOT:PSS-lag under solcellefremstillingen, hvilket forhindrer kortslutning af enhederne. Desuden er acceptorernes sidekæder henholdsvis lineære og forgrenede, hvilket får deres opløselighed til at variere og dermed deres tørre kinetik. Man kan bruge en mini roll-to-roll coater til at undersøge tørrekinetik under belægning, som efterligner de samme belægningsforhold isolcellefremstillingen 17, som det først blev demonstreret i 201518.
Her præsenterer vi anvendelsen af en forbedret mini roll-to-roll slot-die belægning maskine til at udføre in situ GISAXS eksperimenter, at sonde morfologi af tørring blæk til OPVs med en in-house X-ray kilde. GISAXS er den foretrukne metode til at undersøge størrelses-, form- og orienteringsfordelingerne i eller på tyndfilm19. Når du udfører et GISAXS-eksperiment, indsamles de spredte røntgenstråler, der undersøger prøven, på en 2D-detektor. Den udfordrende del er at vælge den rigtige model til at hente de ønskede oplysninger fra den prøve, der undersøges. Derfor er forudgående oplysninger om prøvestrukturen afgørende for at vælge en passende model. En sådan viden kan opnås fra atomare kraftmikroskopi (AFM), transmissionselektronmikroskopi (TEM) eller molekylære dynamiksimuleringer7. Her vil vi præsentere hvorfor og hvordan man anvender rammerne for Teubner og Strey20 til at modellere de data, der er opnået fra in situ GISAXS-eksperimenterne for at hente størrelsesfordelingen af domænerne inde i blækket til BHJs under tørring. Der er to fordele ved at bruge en mini roll-to-roll coater. For det første efterligner det den store produktion 1:1; Derfor er vi sikre på, at enhedens ydeevne og aktive lag kan sammenlignes direkte. For det andet, ved hjælp af denne metode, er vi i stand til at have nok frisk blæk i strålen til at tillade en in situ eksperiment med et laboratorium X-ray kilde. Metoderne til at udføre og analysere morfologien af tyndfilm med GISAXS har udviklet sig hurtigt i løbet af det sidste årti18,21,22,23,24,25,26,27,28. Normalt, når du udfører et in situ GISAXS-eksperiment for at undersøge tørring af kinetik af det aktive lag i OPV'er, er der brug for en synkrotronkilde18,26,27. Synkrotronstråling foretrækkes generelt frem for en intern røntgenkilde til at udføre et sådant eksperiment for at give bedre tidsopløsning og bedre statistikker. Synkrotroner er dog ikke tilgængelige på daglig basis og kan ikke justeres, så de passer til en produktionslinje, derfor kan en intern røntgenkilde tjene som et nyttigt hverdagsværktøj til optimering af blækformuleringer, belægningsforhold og for at få grundlæggende indsigt i fysikken i tørring af kinetik. Den største ulempe ved at bruge en intern røntgenkilde er materialeforbruget. Da strålernes flux er mindst fem størrelsesordener mindre end ved en synkrotron, er der brug for mere materiale for at opnå tilstrækkelig statistik. Derfor er denne teknik endnu ikke egnet til ny materialeopdagelse, hvor kun små mængder materialer er tilgængelige. For materialer, der er billige og nemme at syntetisere, hvilket også er en dominerende faktor for skalerbarhed29, vil denne metode være fordelagtig i forhold til brugen af synkrotroner i forfølgelsen af at lukke effektivitetskløften for store roll-to-roll coatede OPV'er10,30.
Denne artikel vil guide læseren gennem udførelse in situ GISAXS eksperimenter til sonde tørring kinetik af blæk, der gælder for storstilet produktion af OPV'er. Et eksempel på datareduktion og analyse præsenteres sammen med en diskussion af forskellige modeller til fortolkning af dataene.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>Bromoanisole</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>104-92-7</td>
			<td>&#62;99.0 %</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Dichlorobenzene</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>95-59-1</td>
			<td>&#62;99.0 %</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>EH-IDTBR</td>
			<td>1-Material</td>
			<td>BL3144</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Eiger X 4M</td>
			<td>DECTRIS</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>EQE</td>
			<td>PV Measurements</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Flextrode</td>
			<td>Infinity PV</td>
			<td>Custom order</td>
			<td>10 mm stripes</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>JV-Measurements</td>
			<td>Keithley + JV software</td>
			<td></td>
			<td>2000E + JV Software</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Mini roll to roll coater</td>
			<td>Custom made</td>
			<td></td>
			<td>Slot die coater on a rotating drum</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>O-IDTBR</td>
			<td>1-Material</td>
			<td>DW4076P</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>P3HT</td>
			<td>1-Material</td>
			<td>M1011</td>
			<td>RR 97.6 %</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PEDOT</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>155090-83-8</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PET Substrate</td>
			<td>AMCOR FLEXIABLES</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Silver ink</td>
			<td>CCI EUROLAM</td>
			<td>DuPont 5025</td>
			<td>Silver conductor</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Syringe</td>
			<td>Braun</td>
			<td>Injekt</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Syringe pump</td>
			<td>Syringe pump pro</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tubes</td>
			<td>Mikrolab Aarhus A/S</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>X-ray source</td>
			<td>Rigaku</td>
			<td></td>
			<td>Rotating anode</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

in situ grazing incidence small angle x-ray scattering on roll-to-roll coating of organic solar cells with laboratory x-ray instrumentation

Vi præsenterer en in-house, in situ Græsning Incidens Small Angle X-ray Scattering (GISAXS) eksperiment, udviklet til at sonde tørring kinetik roll-to-roll slot-die belægning af det aktive lag i organisk fotovoltaics (OPVs), under deposition. Til denne demonstration er der fokus på kombinationen af P3HT:O-IDTBR og P3HT:EH-IDTBR, som har forskellige tørrekinetik og enhedsydelse, på trods af at deres kemiske struktur kun varierer lidt ved sidekæden for den lille molekyle acceptor. Denne artikel indeholder en trinvis vejledning i at udføre et IN SITU GISAXS-eksperiment og demonstrerer, hvordan du analyserer og fortolker resultaterne. Normalt er udførelsen af denne type in situ røntgeneksperimenter for at undersøge tørrekinetik i det aktive lag i OPV'er afhængig af adgang til synkrotroner. Men ved at bruge og videreudvikle den metode, der er beskrevet i dette papir, er det muligt at udføre eksperimenter med en grov tidsmæssig og rumlig opløsning, på daglig basis for at få grundlæggende indsigt i morfologien af tørre blæk.

Først og fremmest beskriver dette papir metoden og protokollen til at udføre et vellykket roll-to-roll in situ in-house GISAXS-eksperiment til sondetørring af tyndfilm. Baseret på monteringen kan det udledes, at Teubner-Strey-modellen med succes beskriver dataene for P3HT:EH-IDTBR og P3HT:O-IDTBR i både 12 og 3 sekunders tørring som vist i figur 10.
De karakteristiske længdeskalaer baseret på Teubner-Strey-modellen findes i tabel 3 med de tilsvarende usikkerheder i tabel 4. For alle fire anfald er domænestørrelsen og korrelationslængden for den højeste qxy, d1 og χ 1tæt på samme værdi, varierende fra 12,0 ± 1,7 nm til 12,5 ± 2,2 nm og fra 3,9 ± 0,4 nm til 5,0 ± 0,4 nm. Disse to karakteristiske størrelser og længder svarer til de værdier, der er rapporteret i litteraturen for tørfilm bulk heterojunktioner af P3HT:IDTBR og P3HT:PCBM41,42. For de store strukturer, d3 og 3,er der en klar tendens til, at strukturerne bliver større, efterhånden som de tørrer. For P3HT:EH-IDTBR stiger den fra 225 ± 10,3 nm til 562 ± 11,1 nm, og for P3HT:O-IDTBR stiger den fra 241 ± 4,1 nm til 489 ± 9,2 nm. Korrelationslængderne d2findes at være 30 ± 12 nm og 34 ± 3,5 nm for P3HT:O-IDTBR og 41 ± 14 nm for begge P3HT:EH-IDTBR-eksperimenter. Mærkbart, d2 er mere udtalt efter 3 sekunders tørring end efter 12 sekunders tørring for P3HT:O. IDTBR i modsætning til P3HT:EH-IDTBR, hvor d2 er mere udtalt efter 12 sekunders tørring end efter 3 sekunders tørring. Hvorvidt d2 opløses for at bidrage til det signal, der opnås ved d1 eller klynge for at bidrage til d3, bestemmes ikke i dette forsøg.
Baseret på formalismen af Teubner-Strey20, de karakteristiske parametre for en1,i, c1,i, c2,angiverjeg, at små vægte, en1,1, c1,1, c2,1, en1,2, c1,2, c2,2, er karakteristiske for et tidligt stadium af spinodal nedbrydning, hvor de to faser er blanding43. Dette er i overensstemmelse med den generelle forståelse af morfologi donor / acceptor blanding. De store længdeskalaer, en1,3, c1,3, c2,3, er karakteristiske for mikroemulsioner20, som er forårsaget af kontrasten (elektrontæthedsforskel) mellem aggregater af materiale og opløsningsmiddel. Fra dette eksperiment er det umuligt at skelne mellem, om disse karakteristiske parametre i d3 skyldes forskellen i elektrontæthed mellem enten P3HT:O-IDTBR/Solvent, O-IDTBR/Solvent eller P3HT/Solvent.
Hvis du vil tilpasse en model til røntgen, er spredning af data et iboende omvendt problem. Derfor kan flere modeller anvendes til at beskrive spredningsdataene. Til denne analyse blev formuleringen af Teubner og Strey20,44 anvendt til at passe til dataene. Rammen stammer fra en ordreparameterudvidelse af Landaus frie energi til at beskrive spredningsintensiteten fra tofasesystemer. Fortolkning af modellen er en abstrakt geometrisk struktur af et tofaset system med en karakteristisk domænestørrelse og en korrelationslængde som kendt fra statistisk mekanik45.
Der findes mange sofistikerede modeller, der kan forudsige 2D-data fra GISAXS eksperimenter, og brugervenlige software-programmer34,46 til model dette. Normalt er GISAXS-data fra BHJ modelleret med Den Forvrængede Bølgefødte Tilnærmelse (DWBA) med meget høj nøjagtighed27,40,47,48. Ikke desto mindre er den største ulempe, at den modellerede struktur ikke svarer til den kompleksitet, der forventes i en BHJ. En enklere fremgangsmåde er at begrænse analysen til qxy-retningen. Når kun 1D-vandrette linjeskæringer i qxy overvejes, er det rimeligt at antage, at den største bidragyder til spredning stammer fra de laterale strukturer, der er til stede i filmen. Hvis dette antages, kan det påvises, at den momentumoverførsel, der hentes fra de vandrette linjeskæringer, svarer til transmissionen SAXS49,50, hvorfra Teubner-Strey udledes20 og derfor gælder for den analyse, der præsenteres her.
Denne model er valgt af tre grunde: For det første er modellen et analytisk udtryk, der har vist sig at passe til en række tofasede systemer, herunder BHJ20,26,51, og den kan anvendes til meget hurtige tilpasningsalgoritmer, som gælder for storstilet kvalitetskontrol og for in situ-målinger. For det andet, så vidt vi ved, er denne model i overensstemmelse med den morfologi, der observeres for P3HT:O-IDTBR ved transmissionselektronmikroskopi (TEM)52 og atomkraftmikroskopi (AFM)42. For det tredje er det en simpel model, dvs det spænder over en lille parameter plads.
Desuden dokumenterer dette papir, at det er muligt at undersøge tørrekinetik af ikke-fulleren organiske solceller med en intern røntgenkilde. Derudover har denne metode potentialet til at fungere som et værktøj til at fremskynde forskningen i store roll-to-roll belagte OPV'er.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61374/61374fig01.jpg"> Figur 1: Kemisk struktur af P3HT, O-IDTBR og EH-IDTBR. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61374/61374fig01large.jpg" target="_blank">Klik her for at se en større version af dette tal.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61374/61374fig02.jpg"> Figur 2: (Venstre) Arbejdsprincip for en bulk heterojunktion organisk solcelle. Sollys skaber en exciton, som ved adskillelse gør det muligt for hullet og elektronen at diffuse til katoden og anoden. (Til højre) Energi diagram af HOMO og LUMO niveauer af donor og acceptor. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61374/61374fig02large.jpg" target="_blank">Klik her for at se en større version af dette tal.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61374/61374fig03.jpg"> Figur 3: (Venstre) JV-kurver for roll slot die belagt med fleksibelt substrat P3HT:O-IDTBR og P3HT:EH-IDTBR, svarende til de enheder, der klarer sig bedst i tabel 1. (Til højre) EQE kurver af roll slot die belagt med fleksibelt substrat P3HT:O-IDTBR og P3HT:EH-IDTBR. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61374/61374fig03large.jpg" target="_blank">Klik her for at se en større version af dette tal.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61374/61374fig04.jpg"> Figur 4: Billeder af de to trykfarver, rullebelagt på PET-underlag. Øverst er P3HT:EH-IDTBR og nederst er P3HT:O-IDTBR. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61374/61374fig04large.jpg" target="_blank">Klik her for at se en større version af dette tal.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61374/61374fig05.jpg"> Figur 5: (Venstre) Billede af mini roll-to-roll coater. 1. a) 1.b) angiver henholdsvis folieføderens og -modtagerens rotationscenter. Motoren er på bagsiden af roll-to-roll coater og er en stepper motor. 2) Oversættelsesfaserne for belægningshovedet, som kan bevæge sig i alle tre retninger langs folien, op og ned og udad og indad. 3) Slot dør belægning hoved, hvor en slange med blæk kan fastgøres. 4) De to kogeplader, angivet med de to pile, som vil opvarme det bevægelige substrat til den ønskede temperatur. I dette eksperiment blev det sat til 60 °C. Alle dele fjernstyres. (Til højre) Roll-to-roll coater installeret på GISAXS set-up. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61374/61374fig05large.jpg" target="_blank">Klik her for at se en større version af dette tal.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61374/61374fig06.jpg"> Figur 6: Eksperimentel set-up for græsning Incidens Lille Vinkel X-ray Scattering. 1) X-ray kilde er en roterende anode lavet af Rigaku. En roterende anode lavet af kobber blev drevet ved 36 kV 36 mA. 2) Optik sektion, hvor Cu Kα karakteristisk fluorescens fra den roterende anode diffract fra en enkelt bounce multilayer spejl, hvilket gør strålen monokromatisk ved bølgelængde: λ =1.5418 Å. 3) Attenuator station, som ikke blev anvendt til dette eksperiment. 4) Collimation sektion, der består af tre pinholes efter hinanden som angivet med de tre pile. Diameteren af pinhullerne er henholdsvis 0,75 mm, 0,3 mm og 1,0 mm. 5) Mini roll-to-roll coater position fastgjort til en lodret bevægelig akse og et goniometer til at styre incidensvinklen. 6) Flight tube i vakuum. 7) Eiger 4M detektor. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61374/61374fig06large.jpg" target="_blank">Klik her for at se en større version af dette tal.</a>
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61374/61374fig07.jpg"> Figur 7: Tre trin i tilpasningsproceduren illustreret som rå Eiger 4M-data. (Til venstre) Først skal du sørge for, at der ikke er noget, der blokerer den direkte stråle. I dette eksempel er bjælkestoppet placeret lige til venstre og under den direkte stråle. (I midten) Scan prøven langs den lodrette akse, og placer den, hvor halvdelen af den direkte stråle blokeres af prøven. Derefter roteres prøven, så incidensvinklen gradvist ændres, og prøven placeres, hvor intensiteten af den direkte stråle er højest. Denne procedure skal udføres 3-5 gange for at sikre, at prøven er helt parallel med strålen. (Til højre) Prøven roteres, indtil der sker en klar refleksion af detektoren. Fra disse to positioner kan den nøjagtige hændelsesvinkel beregnes (se tekst). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61374/61374fig07large.jpg" target="_blank">Klik her for at se en større version af dette tal.</a>
<img alt="Figure 8" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61374/61374fig08.jpg"> Figur 8: To stadier af tørring set fra to forskellige vinkler. (Venstre) er den våde fase, hvor filmen har tørret i 3 sekunder, før den blev undersøgt. (Til højre) er den tørre fase, hvor filmen har tørret i 12 sekunder. Kontrasten er blevet øget for at visualisere effekten af kanterne tørring. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61374/61374fig08large.jpg" target="_blank">Klik her for at se en større version af dette tal.</a>
<img alt="Figure 9" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61374/61374fig09.jpg"> Figur 9: (Venstre) 2D-data P3HT:O-IDTBR ved 12 sekunders tørring med 3000 sekunders anskaffelsestid. Det røde rektangel angiver, hvor den vandrette integration er blevet udført, og de intense områder, der er markeret som aluminiumstopper, stammer fra varmepladen. (Til højre) Den vandrette integration fra det røde rektangel, hvor aluminiumstoppenes q-vektorer udelades fra integrationen. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61374/61374fig09large.jpg" target="_blank">Klik her for at se en større version af dette tal.</a>
<img alt="Figure 10" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61374/61374fig10.jpg"> Figur 10: Binned vandret linje integration for de fire eksperimenter: P3HT:EH-IDTBR (sort) og P3HT:O-IDTBR (blå) probed på både 12 sekunder (trekanter) og 3 sekunder (firkanter) af tørring sammen med Teubner-Strey passer. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61374/61374fig10large.jpg" target="_blank">Klik her for at se en større version af dette tal.</a>
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody>
<tr>
<td></td>
			<td>Tørretid(er)</td>
			<td>Måletid(er)</td>
		</tr>
<tr>
<td>P3HT:O-IDTBR</td>
			<td>3.0</td>
			<td>2732</td>
		</tr>
<tr>
<td>P3HT:O-IDTBR</td>
			<td>12</td>
			<td>3000</td>
		</tr>
<tr>
<td>P3HT:EH-IDTBR</td>
			<td>3.0</td>
			<td>3000</td>
		</tr>
<tr>
<td>P3HT:EH-IDTBR</td>
			<td>12</td>
			<td>3000</td>
		</tr>
</tbody></table>Tabel 1 — Oversigt Optoelektroniske egenskaber ved 1 cm2 organiske solceller baseret på P3HT:O-IDTBR og P3HT:EH-IDTBR, der viser effektkonverteringseffektiviteten (PCE), kortslutningsstrømtætheden (JSC), fyldfaktoren (FF) og den åbne kredsløbsspænding (VOC) under 100 mW/cm2 belysning.
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody>
<tr>
<td colspan="2">P3HT:EH-IDTBR</td>
			<td>Pce (%)</td>
			<td>JSC (mA/cm2)</td>
			<td>Ff (%)</td>
			<td>VOC (mV)</td>
		</tr>
<tr>
<td></td>
			<td>1</td>
			<td>2.20</td>
			<td>5.32</td>
			<td>59.43</td>
			<td>0.70</td>
		</tr>
<tr>
<td></td>
			<td>2</td>
			<td>1.81</td>
			<td>4.53</td>
			<td>56.97</td>
			<td>0.70</td>
		</tr>
<tr>
<td></td>
			<td>3</td>
			<td>1.97</td>
			<td>4.83</td>
			<td>57.55</td>
			<td>0.71</td>
		</tr>
<tr>
<td></td>
			<td>4</td>
			<td>2.17</td>
			<td>5.10</td>
			<td>60.00</td>
			<td>0.71</td>
		</tr>
<tr>
<td></td>
			<td>5</td>
			<td>2.18</td>
			<td>5.28</td>
			<td>58.49</td>
			<td>0.71</td>
		</tr>
<tr>
<td></td>
			<td>Gennemsnitlige</td>
			<td>2.07</td>
			<td>5.01</td>
			<td>58.49</td>
			<td>0.70</td>
		</tr>
<tr>
<td></td>
			<td>stand dev prøve</td>
			<td>0.15</td>
			<td>0.30</td>
			<td>1.13</td>
			<td>0.00</td>
		</tr>
<tr>
<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
<tr>
<td colspan="2">P3HT:O-IDTBR</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
<tr>
<td></td>
			<td>1</td>
			<td>3.38</td>
			<td>7.95</td>
			<td>60.48</td>
			<td>0.72</td>
		</tr>
<tr>
<td></td>
			<td>2</td>
			<td>3.33</td>
			<td>7.75</td>
			<td>60.36</td>
			<td>0.71</td>
		</tr>
<tr>
<td></td>
			<td>3</td>
			<td>2.97</td>
			<td>7.19</td>
			<td>58.72</td>
			<td>0.70</td>
		</tr>
<tr>
<td></td>
			<td>4</td>
			<td>3.20</td>
			<td>7.48</td>
			<td>60.15</td>
			<td>0.71</td>
		</tr>
<tr>
<td></td>
			<td>5</td>
			<td>3.24</td>
			<td>7.54</td>
			<td>60.68</td>
			<td>0.71</td>
		</tr>
<tr>
<td></td>
			<td>Gennemsnitlige</td>
			<td>3.22</td>
			<td>7.58</td>
			<td>60.08</td>
			<td>0.71</td>
		</tr>
<tr>
<td></td>
			<td>stand dev prøve</td>
			<td>0.14</td>
			<td>0.26</td>
			<td>0.70</td>
			<td>0.00</td>
		</tr>
</tbody></table>Tabel 2 — Oversigt Oversigt over data. P3HT:O-IDTBR med en tørretid på 3,0 s blev stoppet efter 2732 s på grund af en sprøjtepumpefejl.
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody>
<tr>
<td>Monterede værdier</td>
			<td>d1 [nm]</td>
			<td>1 [nm]</td>
			<td>d2 [nm]</td>
			<td>2 [nm]</td>
			<td>d3 [nm]</td>
			<td>3 [nm]</td>
		</tr>
<tr>
<td>EH-IDTBR 12s</td>
			<td>12.2</td>
			<td>4.7</td>
			<td>41</td>
			<td>22</td>
			<td>562</td>
			<td>20</td>
		</tr>
<tr>
<td>EH-IDTBR 3'ere</td>
			<td>12.0</td>
			<td>5.0</td>
			<td>41</td>
			<td>17</td>
			<td>225</td>
			<td>18</td>
		</tr>
<tr>
<td>O-IDTBR 12s</td>
			<td>12.4</td>
			<td>4.8</td>
			<td>34</td>
			<td>32</td>
			<td>489</td>
			<td>16</td>
		</tr>
<tr>
<td>O-IDTBR 3'ere</td>
			<td>12.5</td>
			<td>3.9</td>
			<td>30</td>
			<td>18</td>
			<td>241</td>
			<td>13</td>
		</tr>
</tbody></table>Tabel 3 — Oversigt Monterede værdier fra de fire eksperimenter. Alle enheder af [nm].
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody>
<tr>
<td>Fejl</td>
			<td>d1 [nm]</td>
			<td>1 [nm]</td>
			<td>d2 [nm]</td>
			<td>2 [nm]</td>
			<td>d3 [nm]</td>
			<td>3 [nm]</td>
		</tr>
<tr>
<td>EH-IDTBR 12s</td>
			<td>1.4</td>
			<td>0.2</td>
			<td>10</td>
			<td>3.2</td>
			<td>11.1</td>
			<td>1.7</td>
		</tr>
<tr>
<td>EH-IDTBR 3'ere</td>
			<td>1.7</td>
			<td>0.4</td>
			<td>14</td>
			<td>2.1</td>
			<td>10.3</td>
			<td>1.9</td>
		</tr>
<tr>
<td>O-IDTBR 12s</td>
			<td>2.1</td>
			<td>0.3</td>
			<td>3.5</td>
			<td>2.7</td>
			<td>9.2</td>
			<td>1.5</td>
		</tr>
<tr>
<td>O-IDTBR 3'ere</td>
			<td>2.2</td>
			<td>0.4</td>
			<td>12.0</td>
			<td>1.3</td>
			<td>4.1</td>
			<td>0.6</td>
		</tr>
</tbody></table>Tabel 4 — Kommissionen for De Standardafvigelser for de monterede værdier fra de fire forsøg. Alle enheder af [nm].

Watch this Scientific Journal Video about In situ Grazing Incidence Small Angle X-ray Scattering on Roll-To-Roll Coating of Organic Solar Cells with Laboratory X-ray Instrumentation at JoVE.com

In situ Grazing Incidence Small Angle X-ray Scattering on Roll-To-Roll Coating of Organic Solar Cells with Laboratory X-ray Instrumentation

Dette papir er en demonstration og en retningslinje til at udføre og analysere in-house (med et laboratorium X-ray instrument) in situ GISAXS eksperimenter med tørring blæk på roll-to-roll slot-die belagt, ikke-fullerene organisk fotovoltaics.

In situ Græsning Incidens Lille Vinkel X-ray Spredning på Roll-To-Roll Coating af organiske solceller med Laboratory X-ray Instrumentering

We present an in-house, in situ Grazing Incidence Small Angle X-ray Scattering (GISAXS) experiment, developed to probe the drying kinetics of roll-to-roll ...

Denne protokol gør det muligt for os at udføre in situ GISAXS-undersøgelser af det fotoaktive lag af organiske solceller i vores hjemmelaboratorium, hvilket ellers kun ville være muligt at bruge in situ-græsningshyppisk incidens små vinkel røntgenspredning, vi kan studere strukturen i donor-acceptor blandet tilstand under forhold, der ligner dem af storstilet belægning. Roll-to-roll slot die coating procedure vil blive udført uden for GISAXS setup ligesom en demonstration. Senere vil det være for at vise det fulde eksperiment.For slot die belægning, vind 18 meter PET substrat folie på en feeder roll og løsne den frie ende af substratet til winder roll. Kør folien 0,2 meter for at stramme substratet og sæt den første kogeplade i roll-to-roll-opsætningen til 60 grader Celsius og den anden kogeplade til 80 grader Celsius for at sikre, at filmen tørres, når den kastes ind i winderrullen. Når kogepladerne har stabiliseret sig i ca. 15 minutter, monteres en tre milliliter sprøjte fyldt med 2,2 milliliter rulle-til-rulle belægningsblæk på en sprøjtepumpe og fastgør et rør fra sprøjten til slot die coating hovedet.Juster det vandrette oversættelsestrin, så belægningshovedet er placeret tæt på enden af den første kogeplade, og placer meniskguiden ca. fem millimeter over substratet, og sæt derefter sprøjtepumpen til en 0,08 milliliter pr. Minutstrømshastighed og en 12,7 millimeter sprøjtediameter. Hvis du vil styre tykkelsen af det aktive lag, skal du justere strømningshastigheden og hastigheden af det bevægelige substrat i henhold til den formel, hvor w er bredden af filmen og rækken, er tætheden af materialerne i blækket. Når pumpeparametrene er indstillet, skal du manuelt dispensere blækket fra sprøjten og gennem slangen og stoppe en centimeter, før blækket når belægningshovedet.Når meniskguiden er fem millimeter over substratet, skal du starte sprøjtepumpen. Når en dråbe har våd hele bredden af menisken guide, straks sænke belægningen hovedet til vådt underlaget med blæk og hæve menisken guide til belægning position to millimeter over substratet, derefter starte motoren, der ender substratet og begynde belægning med blæk. For at stoppe belægningen skal du stoppe pumpen og det bevægelige substrat og hæve belægningshovedet ca. 20 millimeter over substratet.For at udføre et GISAXS-eksperiment skal du fastgøre mini-rulle-til-rulle-coateren til goniometeret og montere goniometeret med rulle-til-rulle-coateren på den optiske bænk i prøvepositionen. Fastgør de tre motorkabler og goniometerstadiet til bænken, og placer flyrøret så tæt på mini-rulle-til-rulle-coateren som muligt. Prøven justeres med coateren og lagen 10 centimeter af blækket på prøven, og rul derefter filmen på strålen.For at justere prøven parallelt med strålen skal du scanne den samlede intensitet af den direkte stråle som en funktion af den lodrette prøveposition og incidensvinkel og bruge formlen til at beregne den vinkle reflekterede stråle på detektoren, så prøven kan justeres til en 0,2 graders incidensvinkel. For at optimere intensiteten i den reflekterede stråle skal du scanne prøvepositionens højde ved hjælp af en incidensvinkel på 0,2 grader. Installer strålestoppet lige før detektoren for at forlænge detektorens levetid og bruge et cirkulært strålestop til den direkte stråle.Placer et punkt sugning for at fjerne alle gasserne fra de fordampende opløsningsmidler. Monter en tre milliliter sprøjte fyldt med 2,2 milliliter blæk på sprøjtepumpen. Placer belægningshovedet 120 millimeter fra røntgenstrålen langs foliens bevægelige retning for at sikre en tørretid på 12 sekunder.Når belægningshovedet er på plads, skal du placere meniskguiden fem millimeter over substratet og starte sprøjtepumpen. Når hele bredden af meniskguiden har været våd, skal du straks sænke belægningshovedet for at våd substratet med blæk, før du hæver meniskguiden til belægningspositionen to millimeter over substratet. Når guiden er på plads, skal du starte motoren, der ender substratet for at begynde at belægge blækket.Brug et kamera til at overvåge kvaliteten af den belagte film, på udkig efter af-betændte effekter af filmen på substratet og menisken skæve. Baseret på monteringen kan det udledes, at Teubner-Strey-modellen med succes beskriver dataene for P3HTEH-IDTBR og P3HT O-IDTBR i både 12 og 3 sekunders tørring. I disse tabeller kan de karakteristiske længdeskalaer baseret på Teubner-Strey-modellen og deres tilsvarende fejl observeres.For alle fire anfald er domænestørrelsen og korrelationslængden for den højeste spredningsvektor tæt på den samme værdi. For de store strukturer er der en klar tendens til, at strukturerne bliver større, når de tørrer. Mærkbart er korrelationslængden mere udtalt efter 3 sekunders tørring end efter 12 sekunders tørring for P3HTO-IDTBR, mens korrelationslængden for P3HTEH-IDTBR er mere udtalt efter 12 sekunders tørring end efter 3 sekunders tørring.For de store strukturer er der en klar tendens til, at strukturerne bliver større, når de tørrer. Med dette eksperiment har vi vist, at tørringsprocessen for EH og O-IDTBR adskiller sig på nanoskalaen. Denne protokol kan bruges til at studere de nye acceptorer og til at identificere de belægningsparametre, der kan hjælpe os med at forbedre strømforbrændingseffektiviteten af vores fleksible solceller.In situ-røntgenspredning kan blive et uundværligt redskab til optimering af industrielle processer fra halvlederen til de biomedicinske industrier.

Research

JoVE Journal

Chemistry

Preparing Adherent Cells for X-ray Fluorescence Imaging by Chemical Fixation

Forberedelse vedhæftende celler for X-ray fluorescens Imaging af Chemical Fiksering

X-ray fluorescence imaging allows us to non-destructively measure the spatial distribution and concentration of multiple elements simultaneously over ...

Functionalization of Single-walled Carbon Nanotubes with Thermo-reversible Block Copolymers and Characterization by Small-angle Neutron Scattering

Funktionalisering af Single-walled kulstofnanorør med Thermo-vendbare blokcopolymerer og karakterisering af Small-angle Neutron Scattering

We demonstrate a protocol for single-walled carbon nanotube functionalization using thermo-sensitive PEO-PPO-PEO triblock copolymers in an aqueous ...

X-ray Powder Diffraction in Conservation Science: Towards Routine Crystal Structure Determination of Corrosion Products on Heritage Art Objects

X-ray af pulver i Conservation Science: Mod Rutinemæssig Krystalstrukturbestemmelse af korrosionsprodukter på Heritage Art Objects

The crystal structure determination and refinement process of corrosion products on historic art objects using laboratory high-resolution X-ray powder ...

Quantifying X-Ray Fluorescence Data Using MAPS

Kvantificere X-Ray fluorescens Data ved hjælp af kort

The quantification of X-ray fluorescence (XRF) microscopy maps by fitting the raw spectra to a known standard is crucial for evaluating chemical ...

Microfluidic Chips for In Situ Crystal X-ray Diffraction and In Situ Dynamic Light Scattering for Serial Crystallography

Microfluidic Chips for In Situ Crystal X-ray Diffraction and In Situ Dynamic Light Scattering for Serial Crystallography

Mikrofluid Chips for In Situ Crystal røntgen diffraktion og In Situ dynamisk lysspredning for serielle krystallografi

This protocol describes fabricating microfluidic devices with low X-ray background optimized for goniometer based fixed target serial crystallography. The ...

Essential Metal Uptake in Gram-negative Bacteria: X-ray Fluorescence, Radioisotopes, and Cell Fractionation

Væsentlige Metal udbredelse i Gram-negative bakterier: X-ray fluorescens, radioisotoper, og celle fraktionering

We demonstrate a scalable method for the separation of the bacterial periplasm from the cytoplasm. This method is used to purify periplasmic protein for ...

Elemental-sensitive Detection of the Chemistry in Batteries through Soft X-ray Absorption Spectroscopy and Resonant Inelastic X-ray Scattering

Elemental-følsomme påvisning af kemi i batterier gennem bløde X-ray Absorption spektroskopi og Resonant uelastisk X-ray spredning

Energy storage has become more and more a limiting factor of today's sustainable energy applications, including electric vehicles and green electric grid ...

Analysis of Minerals Produced by hFOB 1.19 and Saos-2 Cells Using Transmission Electron Microscopy with Energy Dispersive X-ray Microanalysis

Analyse af mineraler produceret af hFOB 1,19 og Saos-2 celler ved hjælp af transmissions elektronmikroskopi med Energy Dispersive X-ray mikroanalyser

This video presents the use of transmission electron microscopy with energy dispersive X-ray microanalysis (TEM-EDX) to compare the state of minerals in ...

Ligand-Mediated Nucleation and Growth of Palladium Metal Nanoparticles

Ligand-medieret Nukleering og vækst af Palladium Metal nanopartikler

The size, size distribution and stability of colloidal nanoparticles are greatly affected by the presence of capping ligands. Despite the key contribution ...

Improving High Viscosity Extrusion of Microcrystals for Time-resolved Serial Femtosecond Crystallography at X-ray Lasers

Forbedre høj viskositet ekstrudering af Microcrystals for tidsopløst seriel femtosekund krystallografi på X-ray lasere

High-viscosity micro-extrusion injectors have dramatically reduced sample consumption in serial femtosecond crystallographic experiments (SFX) at X-ray ...