ייצור הדפסת תאים סולריים heterojunction הגורף<em> באתרו</em> אפיון מורפולוגיה
Summary
כאן, אנו מציגים פרוטוקול לפברק תאים סולריים אורגני סרט דק באמצעות coater למות מיני חריץ ומאפייני מבנה אונליין הקשורים באמצעות טכניקות פיזור synchrotron.
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
photovoltaics האורגני (OPV) הוא טכנולוגיה מבטיחה לייצר אנרגיות מתחדשות חסכוניות בעתיד הקרוב. 1, 2, 3 מאמצים רבים נעשו כדי לפתח פולימרי צילום פעיל לפברק התקנים יעילים גבוהים. נכון להיום, מכשירי OPV שכבתיים יחידים השיגו יעילות המרה כוח> 10% (PCE). שיפורים אלה הושגו על מכשירים בקנה מידה מעבדתי באמצעות ציפוי ספין כדי ליצור את הסרט, ותרגום למכשירים גודל בקנה מידה גדול יותר כבר טומנת בחובה ירידה מובהקת PCE. 4, 5 בענף, לגלגל אל הרול (R2R) ציפוי סרט דק מבוסס משמש להפקת סרטים דקים פעילים פוטון על מצעים מוליכים, שונה למדי מתהליכי מעבדה בקנה מידה טיפוסיים, במיוחד בשער של הסרת ממס. דבר זה הוא קריטי מאחר מורפולוגיות הם קיnetically לכודים, הנובעים הגומלין בין תהליכים הקינטית מרובים, כולל הפרדת פאזות, סידור, התמצאות אידוי הממס. 6, 7 kinetically זה מורפולוגיה לכוד, אם כי, קובע במידה רבה את הביצועים של המכשירים תאים סולריים. לכן, להבנת ההתפתחות של המורפולוגיה במהלך תהליך הציפוי היא בעל חשיבות גבוהה עבור מניפולציה של המורפולוגיה כדי למטב את הביצועים.
אופטימיזציה של המורפולוגיה דורשת הבנת קינטיקה הקשורים ההזמנה של פולימר ניצוח חור הפתרון ממס מוסר; 8, 9 לכימותי האינטראקציות של הפולימר עם מנצח האלקטרונים מבוסס פולרן; 10, 11, 12 הבנת התפקידים של תוספים בהגדרת מורפומְשַׁעֲמֵם; 13, 14, 15 ואיזון השיעורים היחסיים של אידוי של הממס (ים) ותוספים. 16 זה כבר אתגר לאפיין את האבולוציה של מורפולוגיה כמותית השכבה הפעילה בסביבה תעשייתית רלוונטית. רול ל-רול עיבוד נחקר עבור הייצור של מכשירי OPV בקנה המידה גדולים. 4, 17 עם זאת, מחקרים אלה בוצעו באווירה ייצור שבו כמויות גדולות של חומרים המשמשים, הגבלת מחקרים ביעילות פולימרים זמינים מסחרית.
במאמר זה, את הפרטים הטכניים של בודה התקנים OPV באמצעות מערכת ציפוי למות מיני חריץ הם הפגינו. פרמטרים ציפוי כגון קינטיקה ייבוש הסרט ובקרה עובי הסרט החלות על תהליכים בקנה מידה גדול יותר, מה שהופך במחקר זה קשור ישירות בתעשייה fabrication. חוץ מזה, כמות קטנה מאוד של חומר המשמש בניסוי ציפוי מיני חריץ למות, מה שהופך עיבוד זה החלות על חומרים סינתטיים חדשים. בתכנון, coater למות מיני חריץ זה יכול להיות מותקן על גבי תחנות קצה סינכרוטרון, ובכך מרע פיזור קרני רנטגן הזווית קטנה שכיח (GISAXS) ואת קרן ה- X עקיפה (GIXD) יכול לשמש כדי לאפשר לימודים בזמן אמת על האבולוציה המורפולוגיה פני טווח של אורך רחב מאזניים בשלבים שונים של תהליך ייבוש הסרט תחת מגוון של תנאי עיבוד. מידע המתקבל במחקרים אלה ניתן להעביר ישירות הגדרת ייצור תעשייתית. הכמות הקטנה של חומרים המשמשת מאפשרת סינון מהיר של מספר רב של חומרים פוטו-פעיל והתערובות שלהם בתנאי עיבוד שונים.
החצי-גבישי diketopyrrolopyrrole ו quaterthiophene (DPPBT) מבוססי פולימרים הלהקה נמוך מצומדות משמש כחומר התורם הדגם (6,6) -phenyl C71-butyriג מתיל אסטר חומצה (PC 71 בע"מ) משמשת acceptor האלקטרוני. 18, 19 זה מוצג במחקרים קודמים כי DPPBT: PC 71 בע"מ תערובות ליצור הפרדת פאזות גודל גדול בעת שימוש כלורופורם כמו ממס. כלורופורם: תערובת ממס 1,2-dichlorobenzene יכול להקטין את הגודל של הפרדת פאזות ובכך להגדיל את ביצועי המכשיר. היווצרות המורפולוגיה במהלך תהליך הייבוש הממס נחקרת באתרו על ידי מרעה השכיח רנטגן עקיפה ופיזור. מכשירי תא סולארי מפוברקים באמצעות coater למות מיני החריץ הראה PCE ממוצע של 5.2% באמצעות תנאי תערובת הממס הטובים ביותר, 20 דומה ספין-ציפוי מכשירים מפוברקים. Coater מיני חריץ למות פותח מסלול חדש לפברק התקני תאים סולריים במעבדת הגדרת מחקר המחקה תהליך תעשייתי, מילוי פער מנבא את הכדאיות של חומרים אלו תעשייתיים relהגדרת evant.
Protocol
Representative Results
Discussion
השיטה המתוארת כאן מתמקדת בפיתוח שיטה להכנת סרט וניתן לשנותם בקלות בייצור תעשייתי. הדפסת סרט דקה ואפיון מורפולוגיה סינכרוטרון הם השלבים הקריטיים ביותר עם הפרוטוקול. במחקר OPV מדורג במעבדה קודם, ציפוי ספין משמש כשיטה הדומיננטית לפברק התקני סרט דקים. עם זאת, תהליך זה משת…
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).
