벌크 이종 접합 태양 전지의 인쇄 제작 및<em> 현장에서</em> 형태학 특성
Summary
여기서는 미니 슬롯 다이 코터 싱크로트론 산란 기법을 사용하여 종래의 라인 구조를 사용하여 특성화 유기 박막 태양 전지를 제조하는 프로토콜을 제시한다.
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
유기 광전지 (OPV)은 가까운 미래에 경제적 재생 에너지를 생성하기위한 유망한 기술이다. 1, 2, 3 엄청난 노력은 광 활성 중합체를 개발하고 고효율 소자를 제조하게되었다. 지금까지 단층 OPV 장치는> 10 %의 전력 변환 효율 (PCE)를 달성했다. 이러한 효율은 큰 크기의 스케일 장치 실험실 규모의 필름을 생성하기 위해 스핀 코팅 법을 사용하는 장치 및 번역 달성 된 PCE의 상당한 절감을 내포하고있다. 업계에서 4, 5는, 롤 투롤 (R2R) 기반의 박막 코팅은 특히 용매 제거 속도에서, 전형적인 실험실 규모의 공정에서 매우 다르다 도전성 기판에 광자 활성 박막을 생성하는 데 사용된다. 모폴로지이 기 때문에 이것은 중요하다netically 상분리, 주문, 방위 및 용매 증발을 포함한 여러 운동 프로세스 사이의 상호 작용으로 인해, 포획. 도 6,도 7이 동 역학적 트랩 형태는 비록 대부분의 태양 전지 소자의 성능을 결정한다. 따라서, 코팅 과정 형태의 개발을 이해하는 것은 성능을 최적화 할 수 있도록 형태를 조작하기위한 높은 중요하다.
형태의 최적화 용매가 제거 될 때 용액 중의 정공 전도성 중합체의 주문과 관련된 역학의 이해가 필요; 8, 9는 플러렌 기반 전자 도체 중합체의 상호 작용을 정량; 모토를 정의 첨가제의 역할 이해를 10, 11, 12학의 뜻; 13, 14, 15 및 용매 (들) 및 첨가제를 증발의 상대 속도를 균형. (16)이 공업 적으로 중요한 설정 활성층 정량적 형태의 발전을 특징에 도전했다. 롤 – 투 – 롤 공정은 대규모 OPV 소자의 제조를 위해 검토되고있다. 4 (17) 그러나, 이러한 연구들은 효과적으로 연구 시판 중합체로 제한 재료의 많은 양이 사용되는 제조 환경에서 수행되었다.
본 논문에서는 미니 슬롯 다이 코팅 시스템을 사용 OPV 장치를 제조하는 기술 내용이 입증된다. 이러한 막 건조 동력학 및 막 두께 제어 등의 코팅 변수에 직접 산업 FA에 관한 연구를하게 대규모 공정에 적용brication. 또한, 재료의 매우 작은 양의 새로운 합성 물질이 처리를 적용하게 미니 슬롯 다이 코팅 실험에 사용된다. 설계에있어서,이 미니 슬롯 다이 코터는 싱크로트론 엔드 스테이션에 장착 및 진화에 대한 실시간 조사를 가능하게하는데 사용될 수있다 따라서 입사 소각 X 선 산란 (GISAXS) 및 X 선 회절 (GIXD)를 나온 수 길이의 넓은 범위에 걸쳐 형태의 공정 조건의 범위 하에서 필름 건조 공정의 다른 단계에서 확장. 이 연구에서 얻은 정보를 직접 산업 제조 환경에 전송 될 수있다. 사용 된 재료의 소량의 광 활성 물질 및 다양한 처리 조건에서 혼합물을 다수의 신속한 선별을 가능하게한다.
저역 공액 고분자 계 반 결정질 및 디케 토피 롤로 피롤 quaterthiophene (DPPBT) 모델 공여체 물질로서 사용하고, (6,6) – 페닐 C71-butyri되고C 산 메틸 에스테르 (PC 71 BM)은 전자 수용체로 사용된다. 18, 19은 DPPBT 이전 연구에 도시된다 : 용매로서 클로로포름을 사용하는 경우 PC (71)는 BM 블렌드 대형 상분리를 형성한다. 클로로포름 : 1,2- 디클로로 벤젠 용매 혼합물이 상 분리의 크기를 감소시키고, 따라서 장치의 성능을 증가시킬 수있다. 용매를 건조 과정에서 형태 형성은 입사 X 선 회절 및 산란 방목하여 동일계에서 조사된다. 태양 전지 소자는 미니 슬롯 다이 코터 장치의 제조 코팅 스핀 유사한 최상의 혼합 용매의 조건 (20)을 사용하여 5.2 %의 평균 PCE 나타났다하여 제조. 미니 슬롯 다이 코터는 공업 REL 이러한 물질의 예측 가능성에 갭을 채우고, 산업 공정을 모방 연구 실험실 설정에서 태양 전지 소자를 제조하기위한 새로운 길을 여는evant 설정.
Protocol
Representative Results
Discussion
여기에 기재된 방법은 쉽게 산업 생산까지 확장 할 수있는 필름 제조 방법의 개발에 초점을 맞추고있다. 박막 인쇄 및 싱크로트론 형태의 특성은 프로토콜 가장 중요한 단계입니다. 이전 실험실 스케일 OPV 연구에서, 스핀 코팅 법은, 박막 디바이스를 제조하는 주된 방법으로서 사용된다. 그러나,이 프로세스는 산업 기반 롤 – 투 – 롤 제조를 상당히 다르다 BHJ 용액을 확산 높은 원심력을 사용한다. …
Divulgazioni
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 |
Riferimenti
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