Printing Herstellung von Bulk-Heterosolarzellen und<em> In Situ</em> Morphologie Charakterisierung
Summary
Hier präsentieren wir ein Protokoll organischen Dünnschicht-Solarzellen herzustellen mit einem Minischlitzdüsenbeschichtungsvorrichtung und der damit verbundenen In-line-Struktur Charakterisierungen Synchrotron Streuung Techniken.
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 Photovoltaik (OPV) sind eine vielversprechende Technologie kosteneffizienter erneuerbarer Energien in naher Zukunft herzustellen. 1, 2, 3 Enorme Anstrengungen unternommen wurden , photoaktive Polymere und Herstellung hocheffizienten Geräte zu entwickeln. Bisher wurden einschichtige OPV Geräte eine> 10% Wirkungsgrad der Leistungsumwandlung (PCE) erreicht. Diese Wirkungsgrade wurden im Labormaßstab Geräte unter Verwendung von Spin-Coating erreicht, den Film zu erzeugen und die Translation zu größeren Größenskala Geräte hat voll gewesen mit erheblichen Verringerungen der PCE. 4, 5 in der Industrie, Rolle-zu-Rolle (R2R) ist Dünnschicht basierende Beschichtung zu erzeugen Photonen aktiven Dünnschichten auf leitfähige Substrate verwendet werden, die ganz verschieden von typischen im Labormaßstab Prozessen, insbesondere in der Rate der Entfernung des Lösungsmittels. Dies ist kritisch, da die Morphologien sind kinisch gefangen, aus dem Zusammenspiel zwischen mehreren kinetischen Prozesse, einschließlich Phasentrennung, Ordnung, Orientierung und Lösungsmittelverdampfung. Obwohl 6, 7 Diese kinetisch eingeschlossener Morphologie, bestimmt weitgehend die Leistungsfähigkeit der Solarzelle Geräte. Damit der Morphologie während des Beschichtungsprozesses die Entwicklung zu verstehen, ist von großer Bedeutung für die Morphologie manipulieren, um die Leistung zu optimieren.
Die Optimierung der Morphologie erfordert die Kinetik Verständnis mit der Ordnung des löcherleitenden Polymeren in Lösung assoziiert als Lösungsmittel entfernt wird; 8, 9 die Quantifizierung der Wechselwirkung des Polymers mit dem Fullerenbasierte Elektronenleiter; 10, 11, 12 , die Rollen von Additiven bei der Definition der morpho Verständnislogie; 13, 14, 15 und die relativen Raten der Verdampfung des Lösungsmittels (e) und Zusatzstoffe auszugleichen. 16 Es war eine Herausforderung , die Entwicklung der Morphologie quantitativ in der aktiven Schicht in einem industriell relevanten Einstellung zu charakterisieren. Roll-to-Roll-Verarbeitung ist für die Herstellung von großen OPV-Geräte untersucht. 4, 17 jedoch Diese Studien wurden in einer Herstellungseinstellung durchgeführt , wobei große Mengen an Materialien verwendet werden, wirkungsvoll Studien handelsübliche Polymere begrenzen.
In diesem Dokument werden die technischen Details der OPV Vorrichtungen Herstellen eines Minischlitzdüsenbeschichtungssystem demonstriert. Beschichtungsparameter wie Filmtrocknungs Kinetik und Filmdickensteuerung sind auf größeren Maßstab Prozesse, so dass diese Studie in direktem Zusammenhang mit der Industrie fagewährleisten maximale. Außerdem ist eine sehr kleine Menge an Material in dem Minischlitzdüsenbeschichtungsversuch verwendet, diese Verarbeitung für neue synthetische Materialien. Konstruktiv kann dies Minischlitzdüsenbeschichtungsvorrichtung auf Synchrotron Endstationen montiert werden und somit streifendem Einfall Kleinwinkel-Röntgenstreuung (GISAXS) und Röntgenbeugung (GIXD) verwendet werden können Echtzeit-Studien über die Entwicklung zu ermöglichen, der Morphologie über einen breiten Bereich von Längenskalen in verschiedenen Stadien der Filmtrocknungsprozess unter einer Reihe von Verarbeitungsbedingungen. Information in diesen Studien erhaltenen kann direkt an einem industriellen Fertigungseinstellung übertragen werden. Die geringe Menge der verwendeten Materialien ermöglicht eine schnelle Screening einer großen Anzahl von photoaktiven Materialien und deren Mischungen unter verschiedenen Verarbeitungsbedingungen.
Die halbkristallinen Diketopyrrolopyrrol und Quaterthiophen (DPPBT) basierten Low-Band konjugierten Polymeren wird als Modell Spendermaterial und (6,6) -phenyl C71-butyri verwendetc säuremethylester (PC 71 BM) als Elektronenakzeptor verwendet. 18, 19 Es ist in früheren Studien gezeigt , dass DPPBT: PC 71 BM – Mischungen große Phasentrennung bilden , wenn Chloroform als Lösungsmittel verwendet wird . A: Chloroform: 1,2-Dichlorbenzol Lösungsmittelgemisch, um die Größe der Phasentrennung zu verringern und somit die Leistung der Vorrichtung erhöhen. Die Morphologie Bildung während des Lösungsmitteltrocknungsprozess wird durch streifendem Einfall Röntgen in situ untersucht Beugung und Streuung. Solarzellen Vorrichtungen hergestellt unter Verwendung der Mini-Schlitzdüsenbeschichtungsvorrichtung mit einem durchschnittlichen PCE von 5,2% zeigte die besten Lösungsmittelgemisch Bedingungen mit, 20 , die ähnlich ist Spin-Beschichtung hergestellten Vorrichtungen. Der Minischlitz Schmelzbeschichter öffnet eine neue Route Solarzellenvorrichtungen in einer Forschungslaborumgebung herzustellen, die einen industriellen Prozess nachahmt, eine Lücke in der Vorhersage der Überlebensfähigkeit dieser Materialien in einem industriell rel Befüllenvanten Einstellung.
Protocol
Representative Results
Discussion
Das hier beschriebene Verfahren konzentriert sich eine Filmherstellungsverfahren zu entwickeln, das leicht skaliert in der industriellen Produktion werden kann. Dünnfilmdruck und Synchrotron Morphologie Charakterisierung sind die kritischsten Schritte mit dem Protokoll. In früheren Labor skaliert OPV Forschung wird Spin-Coating als die dominierende Methode zur Dünnschichtvorrichtungen herzustellen. Jedoch verwendet dieses Verfahren hohe Zentrifugalkraft, um sich auszubreiten BHJ-Lösung, die aus der industriellen Bas…
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).
