バルクヘテロ接合太陽電池の印刷作製と<em>その場で</em>形態キャラクタリゼーション
Summary
ここでは、シンクロトロン散乱技術を使用して、ミニスロットダイコーターを用いた有機薄膜太陽電池を製造するためのプロトコルとインライン関連構造の特徴付けを示します。
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
有機太陽光発電（OPV）は、近い将来に費用対効果の高い再生可能エネルギーを生成するために有望な技術です。 1、2、3、多大な努力が光活性ポリマーを開発し、高効率のデバイスを製造する試みがなされてきました。現在までに、単層OPVデバイスは、> 10％の電力変換効率（PCE）を達成しています。これらの効率は、膜を生成するために、スピンコーティングを使用して、実験室規模のデバイスで達成されている、より大きなサイズのスケールのデバイスへの変換は、PCEの有意な減少を伴うされています。業界では4、 図5に示すように 、ロール・ツー・ロール（R2R）系薄膜コーティングは、特に、溶媒除去の速度で、典型的な実験室規模のプロセスとは全く異なっている導電性基板上の光子活性薄膜を生成するために使用されます。形態は、KIあるので、これは非常に重要ですnetically相分離、秩序、配向および溶媒蒸発を含む複数の動力学的プロセス、間の相互作用から生じる、捕捉されました。 6、7、この動力学的にトラップされた形態は、しかし、大部分は太陽電池デバイスの性能を決定します。したがって、コーティングプロセスの間に形態学の発展を理解することは、パフォーマンスを最適化するように形態を操作するために非常に重要です。
形態の最適化は、溶媒が除去される溶液中の正孔伝導性ポリマーの順序に関連した動態を理解する必要があり、 8、 図9は、フラーレンベースの電子伝導体とポリマーの相互作用を定量化します。モルフォを定義する添加剤の役割を理解する10、11、12でれっと; 13、14、15、溶媒（単数又は複数）及び添加剤の蒸発の相対速度のバランスをとります。 16工業的に関連する設定で、活性層に定量的形態の進化を特徴付けるための課題でした。ロール・ツー・ロール処理を大規模OPVデバイスの製造のために研究されています。 4、17しかし、これらの研究は、効果の研究市販のポリマーへの制限、材料の大量に使用される製造環境で行いました。
本論文では、ミニスロットダイコーティングシステムを使用してOPVデバイスを製造する技術的な詳細が示されています。このようなフィルムの乾燥速度と膜厚制御などのコーティングパラメータを直接産業FAに関するこの研究を行う、より大規模なプロセスに適用可能ですbrication。また、材料の非常に少量の新たな合成材料にこの処理を適用作り、ミニスロットダイコーティング実験に使用されています。設計では、このミニスロットダイコーターは、シンクロトロンのエンドステーションに装着することができ、したがって、入射小角X線散乱（GISAXS）を放牧し、X線回折（GIXD）が進化に関するリアルタイムの研究を可能にするために使用することができます長さの広範囲の形態の加工条件の範囲の下でフィルムの乾燥工程の異なる段階でスケーリングします。これらの研究で得られた情報は、直接に工業生産の設定に転送することができます。使用される材料の少量は、光活性材料および種々の処理条件下でその混合物の多数の迅速なスクリーニングを可能にします。
ローバンド共役ポリマーベースの半結晶性ジケトピロロピロール及びクォーター（DPPBT）はモデル供与体材料として使用され、（6,6） – フェニルC71-butyriれますC酸メチルエステル（PC 71 BM）は、電子受容体として使用されます。 18、19これは、そのDPPBT以前の研究で示されている：溶媒としてクロロホルムを使用した場合、PC 71 BMブレンドは、大きなサイズの相分離を形成します。クロロホルム：1,2-ジクロロベンゼン溶媒混合物は、相分離の大きさを減少させ、従って、デバイス性能を高めることができます。溶媒乾燥プロセス中の形態形成は、入射X線回折および散乱を放牧することによってその場で検討されています。太陽電池素子は、ミニスロットダイコーターを用いて作製スピンコーティングように製造装置に類似している20、最良の溶媒混合条件を使用して5.2％の平均PCEを示しました。ミニスロットダイコーターは、工業的に相対これらの物質の予測生存率のギャップを埋める、産業プロセスを模倣する研究室の設定で、太陽電池デバイスを製造するための新しいルートを開きますevant設定。
Protocol
Representative Results
Discussion
ここで説明する方法は、簡単に工業生産にスケールアップすることができ、フィルム製造方法の開発に焦点を当てています。薄いフィルム印刷とシンクロトロンの形態の特徴付けは、プロトコルで最も重要なステップです。以前の研究室スケールOPV研究では、スピンコーティング、薄膜デバイスを製造するために支配的な方法として使用されます。しかし、このプロセスは、産業ベースのロ?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was supported by Polymer-Based Materials for Harvesting Solar Energy (PHaSE), an Energy Frontier Research Center funded by the U.S. Department of Energy, Office of Basic Energy Sciences under award number DE-SC0001087 and the U.S. Office of Naval Research under contract N00014-15-1-2244. Portions of this research were carried out at beamline 7.3.3 and 11.0.1.2 at the Advanced Light Source, Lawrence Berkeley National Laboratory, which was supported by the DOE, Office of Science, and Office of Basic Energy Sciences.
Materials
| 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 |
References
- Brabec, C. J., et al. Polymer-Fullerene Bulk-Heterojunction Solar Cells. Adv. Mater. 22 (34), 3839-3856 (2010).
- Thompson, B. C., Fréchet, J. M. J. Polymer-Fullerene Composite Solar Cells. Angew. Chem. Int. Ed. 47 (1), 58-77 (2008).
- Günes, S., Neugebauer, H., Sariciftci, N. S. Conjugated Polymer-Based Organic Solar Cells. Chem. Rev. 107 (4), 1324-1338 (2007).
- Krebs, F. C., et al. The OE-A OPV demonstrator anno domini 2011. Energy Environ. Sci. 4 (10), 4116 (2011).
- Krebs, F. C., Tromholt, T., Jørgensen, M. Upscaling of polymer solar cell fabrication using full roll-to-roll processing. Nanoscale. 2 (6), 873 (2010).
- Liu, F., Gu, Y., Jung, J. W., Jo, W. H., Russell, T. P. On the morphology of polymer-based photovoltaics. J. Polym. Sci. Polym. Phy. 50 (15), 1018-1044 (2012).
- Liu, F., et al. Characterization of the morphology of solution-processed bulk heterojunction organic photovoltaics. Prog. Polym. Sci. 38 (12), 1990-2052 (2013).
- Schmidt-Hansberg, B., et al. In situ monitoring the drying kinetics of knife coated polymer-fullerene films for organic solar cells. J. appl. phys. 106 (12), 124501 (2009).
- Pearson, A. J., Wang, T., Lidzey, D. G. The role of dynamic measurements in correlating structure with optoelectronic properties in polymer fullerene bulk-heterojunction solar cells. Rep. Prog. Phys. 76 (2), 022501 (2013).
- Treat, N. D., et al. Interdiffusion of PCBM and P3HT Reveals Miscibility in a Photovoltaically Active Blend. Adv. Energy Mater. 1 (1), 82-89 (2010).
- Collins, B. A., et al. Molecular Miscibility of Polymer-Fullerene Blends. J. Phys. Chem. Lett. 1 (21), 3160-3166 (2010).
- Chen, D., Liu, F., Wang, C., Nakahara, A., Russell, T. P. Bulk Heterojunction Photovoltaic Active Layers via Bilayer Interdiffusion. Nano Lett. 11 (5), 2071-2078 (2011).
- Gu, Y., Wang, C., Russell, T. P. Multi-Length-Scale Morphologies in PCPDTBT/PCBM Bulk-Heterojunction Solar Cells. Adv. Energy Mater. 2 (6), 683-690 (2012).
- Perez, L. A., et al. Solvent Additive Effects on Small Molecule Crystallization in Bulk Heterojunction Solar Cells Probed During Spin Casting. Adv. Mater. 25 (44), 6380-6384 (2013).
- Lee, J. K., et al. Processing Additives for Improved Efficiency from Bulk Heterojunction Solar Cells. J. Am. Chem. Soc. 130 (11), 3619-3623 (2008).
- Shin, N., Richter, L. J., Herzing, A. A., Kline, R. J., DeLongchamp, D. M. Effect of Processing Additives on the Solidification of Blade-Coated Polymer/Fullerene Blend Films via In-Situ Structure Measurements. Adv. Energy Mater. 3 (7), 938-948 (2013).
- Sødergaard, R., Hösel, M., Angmo, D., Larsen-Olsen, T. T., Krebs, F. C. Roll-to-roll fabrication of polymer solar cells. Mater. Today. 15 (1-2), 36-49 (2012).
- Liu, F., et al. Efficient Polymer Solar Cells Based on a Low Bandgap Semi-crystalline DPP Polymer-PCBM Blends. Adv. Mater. 24 (29), 3947-3951 (2012).
- Liu, F., et al. Relating Chemical Structure to Device Performance via Morphology Control in Diketopyrrolopyrrole-Based Low Band Gap Polymers. J. Am. Chem. Soc. 135 (51), 19248-19259 (2013).
- Liu, F., et al. Fast Printing and In Situ Morphology Observation of Organic Photovoltaics Using Slot-Die Coating. Adv. Mater. 27 (5), 886-891 (2015).
