Een 3D-gedrukte kamer voor organische opto-elektronische apparaat afbraak testen
Summary
Hier presenteren we een protocol voor het ontwerp, de fabricage, het gebruik van een eenvoudige, veelzijdige 3D-geprint en gecontroleerde atmosferische kamer voor de optische en elektrische karakterisatie van lucht-gevoelige biologische opto-elektronische apparaten.
Abstract
In dit manuscript, duidelijk naar voren komt de vervaardiging van een kleine, draagbare, easy-to-use sfeervolle kamer voor biologische en perovskiet opto-elektronische apparaten, met behulp van 3D-printing. Aangezien dit soort apparaten gevoelig voor vocht en zuurstof zijn, kan een dergelijke kamer onderzoekers steun in het karakteriseren van de eigenschappen van elektronische en stabiliteit. De kamer is bedoeld om te worden gebruikt als een tijdelijke, herbruikbare en stabiele omgeving met gecontroleerde eigenschappen (met inbegrip van temperatuur, vochtigheid en invoering van gas). Het kan worden gebruikt ter bescherming van de lucht-gevoelige materialen of hen blootstellen aan verontreinigingen op een gecontroleerde manier voor afbraak studies. Het karakteriseren van de eigenschappen van de zaal, schetsen we een eenvoudige procedure om te bepalen van de waterdamp overdrachtssnelheid (WVTR) met behulp van relatieve luchtvochtigheid gemeten door een sensor standaard vochtigheid. Deze standaard gebruiksprocedure, met behulp van een 50% “infill”-dichtheid van polylactic acid (PLA), resulteert in een kamer die kan worden gebruikt voor weken zonder significant verlies van apparaateigenschappen. De veelzijdigheid en het gebruiksgemak van de kamer toelaat worden aangepast aan een karakterisering aandoening waarvoor een compact-gecontroleerde atmosfeer.
Introduction
Organische en perovskiet opto-elektronische apparaten, zonnecellen en lichtgevende dioden gebaseerd op π-geconjugeerde halfgeleidende organische moleculen en organometaal halogeniden zijn een snel groeiende gebied van onderzoek. Organische lichtgevende dioden (OLED) zijn al een grote technologische element in verlichting en1weergegeven, en organische fotovoltaïsche zijn begonnen om efficiëntie waardoor ze concurreren met amorf silicium2. De recente snelle vooruitgang van perovskiet-gebaseerde apparaten voor licht absorberen en lichtgevende toepassingen3,4,5 suggereert dat goedkope, gemakkelijk verwerkt apparaten waarschijnlijk zijn te snel vinden wijdverspreide implementatie. Echter, alle van deze technologieën last van een gevoeligheid voor atmosferische verontreinigingen, met name vocht en zuurstof, waardoor hun effectieve levensduur6,7,8,9wordt beperkt.
Voor onderzoekers bestuderen van dergelijke systemen, kan het nuttig zijn om een flexibele, easy-to-use, draagbare en herbruikbaar kamer ter bescherming van dergelijke gevoelige materialen of hen blootstellen aan contaminanten in een gecontroleerde manier10,11. Hoewel het mogelijk is te gebruiken van een handschoenenkast voor de karakterisering van lucht-gevoelige apparaten, is deze grote, dure, en vaste-locatie, inerte omgevingen mogelijk niet compatibel met het brede scala van karakterisering die nodig zouden kunnen zijn. Om een draagbare alternatief, Reese et al. 10 voorgesteld een kleine metalen kamer op basis van een standaard vacuüm flens geschikt voor de elektrische en optische karakterisering van biologische apparaten. Wij hebben dit ontwerp aangepast zodat het goedkoper en veelzijdiger met behulp van 3D-printing voor de productie van de onderdelen van de kamer. Het gebruik van 3D-printing, in plaats van machinale bewerking, zorgt voor snelle, rendabele aanpassingen aan de veranderende monster of milieueisen met behoud van het nut van het basisontwerp. In deze bijdrage, wij een overzicht van de procedure voor het maken van een dergelijke kamer en gebruiken voor het uitpakken van de stroom-spanning-eigenschappen van een organische diode apparaat.
Een goede inkapseling van organische en perovskiet apparaten moeten WVTRs van 10-3 – 10-6 g/m2/dag voor lange termijn apparaat stabiliteit12,13, om weinig water binnendringen in het biologische apparaat zelfs in zeer barre omstandigheden. Zoals dit Parlement is ontworpen als een gecontroleerde omgeving voor het testen van de doeleinden in plaats van een lange termijn opslag of inkapseling methode, zijn de eisen voor een effectieve kamer niet zo streng. De kamer moet kunnen handhaven de apparaateigenschappen binnen een redelijke termijn uit te voeren van de experimenten van de karakterisering. De standaard gebruiksprocedure van het gebruik van PLA resulteert in een kamer die kan worden gebruikt voor meerdere dagen of zelfs weken met een opgenomen gasstroom, zonder een significant verlies van de apparaateigenschappen.
Wijzigen van de materialen, of zelfs de vorm en de grootte van het lichaam van de kamer kunnen drastische gevolgen hebben voor de penetratie van verontreinigingen vanuit de lucht in de kamer. Daarom moet het binnendringen van vocht en zuurstof worden zorgvuldig gecontroleerd voor elk ontwerp om te bepalen van de werkzaamheid van de kamer. Wij bovendien aan de fabricage van de kamer, een overzicht van een eenvoudige procedure voor het bepalen van de WVTR van de kamer, met behulp van een commercieel beschikbare vochtigheid sensor, om een tijdschema voor het gebruik van de zaal voor experimenten.
Een eenvoudige, maar toch veelzijdige kamer kunt voor meerdere soorten experimenten worden uitgevoerd. Ze kunnen handelen als inerte atmosfeer omgeving buiten de ‘ glovebox ‘, geschikt voor elektrische en optische karakterisaties via de havens van de elektrische feedthrough en venster. Hun draagbaarheid kan ze worden gebruikt met standaard elektrische karakterisering apparatuur buiten het lab waar zij werden vervaardigd, die nuttig is in ronde robin testen voor betrouwbaarheid14 of verkrijgen van gecertificeerde metingen van het apparaat prestaties15. Deze kamers zijn ook bijzonder nuttig voor het bestuderen van de gevolgen van de invoering van contaminanten voor gecontroleerde afbreekbaarheidstests, met eenvoudige aanpassingen. Het gebruik van 3D printen maakt een belangrijke, snelle aanpasbaarheid aan apparaat lay-outs, maten, wijzigen of testvoorschriften.
Protocol
Representative Results
Discussion
De kritische stappen in het herscheppen van dit experiment zijn de afdrukken van de kamers te scheuren, gaten, of slechte in-fill kenmerken die de WVTR, het afdichten van de kamer verminderen kunnen om te voorkomen dat een inloop van vocht en zuurstof door aanscherping van de KF50 klem te vermijden bereiken van een volledige afdichting tussen de boven- en onderkant kamers, met behulp van een vacuüm-rated lagedruk epoxy rond de contactpunten of een feedthroughs om te voorkomen dat eventuele lekken, en het creëren van ee…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs erkennen Peter Jonosson en de Lyons nieuwe mediacentrum voor het 3D printen van de kamers. Dit onderzoek werd gesteund door 436100-2013 RGPIN, ER15-11-123, de McMaster Dean van Engineering Excellence Undergraduate zomer Research Award en de Undergraduate Research kansen Program.
Materials
| ORION DELTA DESKTOP 3D PRINTER RTP | SeeMeCNC | 87999 | Known in Report As: 3D Printer |
| 1.75 mm PLA Filament | SeeMeCNC | 50241 | Known in Report As: PLA |
| Somos® WaterShed XC 11122 chamber | Somos | printed at Custom Prototypes, Toronto. | https://www.dsm.com/products/somos/en_US/products/offerings-somos-water-shed.html Known in Report As: Water resistant polymer |
| CURA | CURA | https://ultimaker.com/en/products/cura-software Known in Report As: slicing software |
|
| Soldering iron with 600° F tip | Weller | WTCPT | |
| Xtralien X100 Source Measure Unit | Ossila | E561 | Known in Report As: SMU |
| ZIF Test Board for Pixelated Anode Substrates | Ossila | E221 | Known in Report As: Zero insetion force/ZIF Test Board; |
| BNC Cable | |||
| Generic USB A – B | |||
| Generic USB A – Micro | |||
| #12 O-Ring | Source unkown Known in Report As: o-ring |
||
| 116 Butyl O-Ring | Global Rubber Products | 116 VI70 | Bought in-store Known in Report As: o-ring |
| Retaining ring | McMaster | NA | 3D printed in-house |
| Bottom Chamber | McMaster | NA | 3D printed in-house |
| Top Chamber | McMaster | NA | 3D printed in-house |
| KF50 Cast Clamp (Aluminum) | Kurt J. Lesker | QF50-200-C | |
| KF50 Centering Ring (Aluminum) | Kurt J. Lesker | QF50-200-BRB | |
| Sn60/Pb40 Solder | MG Chemicals | 4895-2270 | |
| #4-40 x 3/16" machine screw | Hardware store | ||
| #4-40 IntThrd Brass TaperSingleVane Insert For Thermoplastic | Fastenal | 11125984 | Fastenal requires to be affiliated with company/university Known in Report As: #4-40 brass tapered threaded insert |
| Varian Torr Seal Vacuum Equipment High Vacuum Epoxy | Vacuum Products Canada Inc. | Known in Report As: low-pressure epoxy | |
| Smiths Interconnect/IDI Contact Probes HEADED RADIUS | Mouser Electornics | 818-S-100-D-3.5-G | Known in Report As: pogo pin |
| Smiths Interconnect/IDI Contact Probes Receptacle Solder Cup | Mouser Electornics | 818-R-100-SC | Known in Report As: solder cup |
| 1/4" Teflon Tubing | Hardware store | ||
| Teflon tape | Hardware store | ||
| 1/4" Tube x 1/8" Male NPT Nickel Plated Brass Push-to-Connect Connector | Fastenal | 442064 | Not the same ones used for this study, but are fuctionally equivalent Known in Report As: push-to-connect pneumatic connector |
| 1/8" NPT Tap and T-wrench | Hardware store | ||
| 1/4" Tube Push-to-Connect Manually Operated Valves | Fluidline | 7910-56-00 | Known in Report As: manually operated push-to-connect valves |
| Adafruit DHT22 Humidity Sensor (small) | Digi-Key | 385 | Known in Report As: internal humidity sensor |
| Adafruit DHT22 Humidity Sensor (large) | Digi-Key | Known in Report As: external humidity sensor | |
| Arduino Uno | Arduino | ||
| Glovebox environment | |||
| 10 kOhm Resistor | |||
| Oscilla Xtralien Scientific Python IDE | Oscilla | https://www.ossila.com/pages/xtralien-scientific-python Known in Report As: Python IDE |
Riferimenti
- Tremblay, J. -. F. The rise of OLED displays. Chemical & Engineering News. 94 (28), 30-34 (2016).
- Kang, H., et al. Bulk-Heterojunction Organic Solar Cells: Five Core Technologies for Their Commercialization. Advanced Materials. 28 (36), 7821-7861 (2016).
- Jacoby, M. The future of low-cost solar cells. Chemical & Engineering News. 94 (18), 30-35 (2016).
- Veldhuis, S. A., et al. Perovskite Materials for Light-Emitting Diodes and Lasers. Advanced Materials. 28 (32), 6804-6834 (2016).
- Park, N. -. G. Perovskite solar cells: an emerging photovoltaic technology. Materials Today. 18 (2), 65-72 (2015).
- Turak, A. Interfacial degradation in organic optoelectronics. RSC Advances. 3 (18), 6188 (2013).
- Scholz, S., Kondakov, D., Lüssem, B., Leo, K. Degradation Mechanisms and Reactions in Organic Light-Emitting Devices. Chemical Reviews. 115 (16), 8449-8503 (2015).
- Jørgensen, M., Norrman, K., Gevorgyan, S. A., Tromholt, T., Andreasen, B., Krebs, F. C. Stability of Polymer Solar Cells. Advanced Materials. 24 (5), 580-612 (2012).
- Habisreutinger, S. N., McMeekin, D. P., Snaith, H. J., Nicholas, R. J. Research Update: Strategies for improving the stability of perovskite solar cells. APL Materials. 4 (9), 091503 (2016).
- Reese, M. O., Sigdel, A. K., Berry, J. J., Ginley, D. S., Shaheen, S. E. A simple miniature controlled-atmosphere chamber for optoelectronic characterizations. Solar Energy Materials and Solar Cells. 94 (7), 1254-1258 (2010).
- Gevorgyan, S. A., Jorgensen, M., Krebs, F. C. A setup for studying stability and degradation of polymer solar cells. Solar Energy Materials and Solar Cells. 92 (7), 736-745 (2008).
- Park, J. -. S. S., Chae, H., Chung, H. K., Lee, S. I. Thin film encapsulation for flexible AM-OLED: a review. Semiconductor Science and Technology. 26 (3), 034001 (2011).
- Ahmad, J., Bazaka, K., Anderson, L. J., White, R. D., Jacob, M. V. Materials and methods for encapsulation of OPV: A review. Renewable & Sustainable Energy Reviews. 27, 104-117 (2013).
- Gevorgyan, S. A., et al. Round robin performance testing of organic photovoltaic devices. Renewable Energy. 63, 376-387 (2014).
- Osterwald, C. R., Hammond, R., Zerlaut, G., D’Aiello, R. Photovoltaic module certification and laboratory accreditation criteria development. Solar Energy Materials and Solar Cells. 41, 629-636 (1996).
- Turak, A., et al. Systematic analysis of processing parameters on the ordering and performance of working poly(3-hexyl-thiophene):[6,6]-phenyl C(61)-butyric acid methyl ester solar cells. Journal of Renewable and Sustainable Energy. 2 (5), 53103 (2010).
- Qi, B., Wang, J. Fill factor in organic solar cells. Physical Chemistry Chemical Physics. 15 (23), 8972-8982 (2013).
- Lu, N., Li, L., Sun, P., Liu, M. Short-circuit current model of organic solar cells. Chemical Physics Letters. 614, 27-30 (2014).
- Qi, B., Wang, J. Open-circuit voltage in organic solar cells. Journal of Materials Chemistry. 22 (46), 24315-24325 (2012).
- Xue, J., Uchida, S., Rand, B. P., Forrest, S. R. 4.2% efficient organic photovoltaic cells with low series resistances. Applied Physics Letters. 84 (16), 3013-3015 (2004).
- Hauch, J. A., Schilinsky, P., Choulis, S. A., Rajoelson, S., Brabec, C. J. The impact of water vapor transmission rate on the lifetime of flexible polymer solar cells. Applied Physics Letters. 93 (10), 103306 (2008).
- Norrman, K., Madsen, M. V., Gevorgyan, S. A., Krebs, F. C. Degradation Patterns in Water and Oxygen of an Inverted Polymer Solar Cell. Journal of the American Chemical Society. 132 (47), 16883-16892 (2010).
- Dameron, A. A., Reese, M. O., Moriconie, T. J., Kempe, M. D. Understanding Moisture Ingress and Packaging Requirements for Photovoltaic Modules. Photovoltaics International. 5, 121-130 (2009).
- Standard Test Method for Water Vapor Transmission Rate of Sheet Materials Using Dynamic Relative Humidity Measurement. ASTM E398 – 13 Available from: https://www.astm.org/Standards/E398 (2013)
- Basha, R. K., Konno, K., Kani, H., Water Kimura, T. Water Vapor Transmission Rate of Biomass Based Film Materials. Engineering in Agriculture, Environment and Food. 4 (2), 37-42 (2011).
- Kim, N., et al. A correlation study between barrier film performance and shelf lifetime of encapsulated organic solar cells. Solar Energy Materials and Solar Cells. 101, 140-146 (2012).
- Reese, M. O., et al. Pathways for the degradation of organic photovoltaic P3HT: PCBM based devices. Solar Energy Materials and Solar Cells. 92 (7), 746-752 (2008).
- Kempe, M. D., Reese, M. O., Dameron, A. A. Evaluation of the sensitivity limits of water vapor transmission rate measurements using electrical calcium test. Review of Scientific Instruments. 84 (2), 025109 (2013).
- Reese, M. O., et al. Consensus stability testing protocols for organic photovoltaic materials and devices. Solar Energy Materials and Solar Cells. 95 (5), 1253-1267 (2011).
- . Current landscape of standardisation efforts in organic and printed electronics 2015 – a VAMAS review Available from: https://www.researchgate.net/publication/278035615_Current_landscape_of_standardisation_efforts_in_organic_and_printed_electronics_2015_-_a_VAMAS_review (2015)
