Printing Fabrication van Bulk Heterojunction Solar Cells en<em> In Situ</em> Morfologie karakterisering
Summary
Hier presenteren we een protocol om organische dunne film zonnecellen met behulp van een mini-slot sterven coater en de bijbehorende in-line structuur karakteriseringen met behulp van synchrotronstraling scattering technieken te fabriceren.
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
Organische fotovoltaïsche cellen (OPV) zijn een veelbelovende technologie voor kosteneffectieve hernieuwbare energiebronnen in de nabije toekomst te produceren. 1, 2, 3 enorme inspanningen geleverd om fotoactieve polymeren ontwikkelen en fabriceren hoge efficiëntievoorzieningen. Tot op heden zijn enkellaags OPV inrichtingen een> 10% vermogen omzettingsrendement (PCE) bereikt. Deze rendementen zijn behaald op laboratoriumschaal apparaten met behulp van spin-coating om de film te genereren, en de vertaling naar groter formaat schaal apparaten is beladen met aanzienlijke verlagingen van de PCE geweest. 4, 5 In de industrie, roll-to-roll (R2R) op basis van dunne film coating wordt gebruikt om foton actieve dunne films op geleidende substraten, dat is heel anders dan de typische laboratoriumschaal processen, met name op de snelheid van verwijdering van oplosmiddel te genereren. Dit is essentieel omdat de morfologie zijn kinetically opgesloten, door de wisselwerking tussen meerdere kinetische processen, zoals fasenscheiding, bestellen, oriëntatie en oplosmiddelverdamping. 6, 7 Dit kinetisch gevangen morfologie echter bepaalt in grote mate de prestatie van de zonnecel apparaten. Dus inzicht in de ontwikkeling van de morfologie tijdens het coatingproces van groot belang voor het manipuleren van de morfologie teneinde te optimaliseren.
De optimalisering van de morfologie vereist begrip van de kinetiek verband met de ordening van de gatengeleidende polymeer in oplossing als oplosmiddel wordt verwijderd; 8, 9 kwantificeren van de interactie van het polymeer met het fullereen gebaseerde elektronengeleider; 10, 11, 12 begrijpen van de rol van additieven in het definiëren van de morfologie; 13, 14, 15 en balanceren van de relatieve snelheden van verdamping van het oplosmiddel (en) en additieven. 16 Het is een uitdaging voor de ontwikkeling van de morfologie kwantitatief karakteriseren de actieve laag in een industrieel relevante omgeving geweest. Roll-to-roll processing is onderzocht voor de fabricage van grootschalige OPV apparaten. 4, 17 echter werden deze studies uitgevoerd in een productie omgeving waar grote hoeveelheden materialen worden gebruikt, effectief beperken studies commercieel verkrijgbare polymeren.
In dit artikel worden de technische details van het fabriceren van OPV apparaten met behulp van een mini-slot sterven coating systeem gedemonstreerd. Coatingparameters zoals film drogen kinetiek en laagdikte controle zijn van toepassing op grotere schaal processen, waardoor dit onderzoek direct gerelateerd aan industrie faer- voor. Daarnaast is een zeer kleine hoeveelheid materiaal in de matrijs minislot coating experiment, waardoor deze verwerking voor nieuwe synthetische materialen. In ontwerp, kan deze mini-sleufmatrijs coater op synchrotron eindstations worden gemonteerd, en daardoor scherende inval small angle X-ray scattering (GISAXS) en röntgendiffractie (GIXD) kan worden gebruikt voor reële tijd mogelijk over de ontwikkeling van de morfologie over een groot bereik van lengteschalen in verschillende stadia van de film droogproces onder verschillende procescondities. De verkregen informatie in deze studies kan direct worden overgedragen aan een industriële productie setting. De kleine hoeveelheid van de gebruikte materialen maakt een snelle screening van een groot aantal foto-actieve stoffen en mengsels daarvan onder verschillende procescondities.
Het halfkristallijne diketopyrrolopyrrool en quaterthiophene (DPPBT) gebaseerd lage band geconjugeerd polymeer gebruikt als model donormateriaal en (6,6) -fenyl C71-butyric methylester (PC 71 BM) gebruikt als elektronische acceptor. 18, 19 wordt getoond in eerdere studies die DPPBT: PC 71 BM blends vormen vergroot fasescheiding bij gebruik van chloroform als oplosmiddel. A chloroform: 1,2-dichloorbenzeen oplosmiddelmengsel kan de grootte van fasescheiding te verminderen en dus verhoging van de prestaties van het apparaat. De vorming morfologie tijdens het droogproces oplosmiddel onderzocht door in situ scherende inval röntgendiffractie en verstrooiing. Zonnecel apparaten vervaardigd met de mini-gleufmes coater toonden een gemiddelde van 5,2% PCE met de beste oplosmiddelmengsel omstandigheden 20 die gelijk is aan spin-coating gefabriceerde inrichtingen. De mini-sleuf sterven bekleder opent een nieuwe route naar zonnecel apparaten te fabriceren in een onderzoekslaboratorium instelling die een industrieel proces nabootst, het vullen van een gat in het voorspellen van de levensvatbaarheid van deze materialen in een industrieel relvant setting.
Protocol
Representative Results
Discussion
De hier beschreven methode beoogt de ontwikkeling van een film synthesemethode die gemakkelijk kan worden opgeschaald industriële productie. Dunne film printen en synchrotron morfologie karakterisering zijn de meest kritische stappen met het protocol. In vorige lab schaal OPV onderzoek wordt spincoaten gebruikt als overheersende methode om dunne film inrichtingen te fabriceren. Echter, dit proces maakt gebruik van hoge centrifuge kracht om zich te verspreiden BHJ oplossing, die is heel anders dan de industriële basis …
Disclosures
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).
