La stampa Fabbricazione di massa eterogiunzione celle solari e<em> In Situ</em> Morfologia Caratterizzazione
Summary
Qui, vi presentiamo un protocollo per fabbricare celle solari a film sottile organico utilizzando uno stampo dispositivo a induzione mini slot e le relative caratterizzazioni struttura in linea con le tecniche di scattering di sincrotrone.
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
fotovoltaico organico (OPV) sono una tecnologia promettente per la produzione di energie rinnovabili di costo-efficacia nel prossimo futuro. 1, 2, 3 sforzi tremendi sono stati fatti per sviluppare polimeri foto-attivi e fabbricare dispositivi ad alta efficienza. Fino ad oggi, singoli dispositivi strati OPV hanno raggiunto una efficienza di conversione di potenza> 10% (PCE). Queste efficienze sono stati ottenuti sui dispositivi su scala di laboratorio utilizzando spin coating per generare il film, e la traduzione di dispositivi su scala più grande formato è stata carica di una significativa riduzione del PCE. 4, 5 Nell'industria, roll-to-roll rivestimento della pellicola sottile (R2R) basato viene utilizzato per generare fotoni film sottili attivi su substrati conduttivi, che è abbastanza differente da processi tipici scala di laboratorio, in particolare nella velocità di rimozione del solvente. Questo è fondamentale in quanto le morfologie sono kinetically intrappolati, derivante dalla sinergia tra più processi cinetici, tra cui la separazione di fase, l'ordinazione, l'orientamento e l'evaporazione del solvente. 6, 7 Questa morfologia cineticamente intrappolato, però, determina in gran parte le prestazioni dei dispositivi a celle solari. Così, la comprensione dello sviluppo della morfologia durante il processo di rivestimento è di grande importanza per manipolare la morfologia in modo da ottimizzare le prestazioni.
L'ottimizzazione della morfologia richiede la comprensione della cinetica associata con l'ordinamento del polimero buco conduttore in soluzione come solvente viene rimosso; 8, 9 quantificare le interazioni del polimero con il conduttore di elettroni fullerene based; 10, 11, 12 comprensione dei ruoli di additivi nella definizione morfologia; 13, 14, 15 e bilanciare i tassi relativi di evaporazione del solvente (s) e additivi. 16 E 'stata una sfida per caratterizzare l'evoluzione della morfologia quantitativamente nel livello attivo in un ambiente di interesse industriale. Il processo di roll-to-roll è stato studiato per la fabbricazione di dispositivi di grandi dimensioni OPV. 4, 17 Tuttavia, questi studi sono stati condotti in un ambiente di produzione in cui vengono utilizzati grandi quantità di materiali, limitando efficacemente studi a polimeri disponibili in commercio.
In questo lavoro, la scheda tecnica di fabbricazione di dispositivi OPV utilizzando un sistema di rivestimento stampo mini slot sono dimostrati. parametri di rivestimento quali cinetica pellicola di essiccazione e il controllo dello spessore del film sono applicabili ai processi su larga scala, rendendo questo studio direttamente correlate a fa l'industrialubrificazioni. Inoltre, una piccola quantità di materiale è utilizzato nella mini esperimento rivestimento fessura stampo, rendendo questa elaborazione applica ai nuovi materiali sintetici. Nella progettazione, questo mini slot die coater può essere montato su stazioni finali sincrotrone, e pascolo pertanto incidenza piccola X-ray scattering angolo (GISAXS) e diffrazione a raggi X (GIXD) può essere utilizzato per consentire studi in tempo reale sull'evoluzione della morfologia su una vasta gamma di lunghezza scale in diverse fasi del processo di essiccazione film sotto una varietà di condizioni di lavorazione. Le informazioni ottenute in questi studi possono essere trasferiti direttamente ad un ambiente di produzione industriale. La piccola quantità di materiale utilizzato consente un rapido screening di un gran numero di materiali foto-attivi e loro miscele in varie condizioni di lavorazione.
Il diketopyrrolopyrrole semi-cristallino e quaterthiophene (DPPBT) basato banda bassa polimero coniugato viene utilizzato come materiale modello di donatori, e (6,6) fenil C71-butyric estere metilico (PC 71 BM) viene utilizzato come accettore elettronico. 18, 19 è mostrato in studi precedenti che DPPBT: PC 71 BM miscele formare grandi dimensioni separazione di fase quando si utilizza il cloroformio come solvente. A cloroformio: 1,2-diclorobenzene miscela solvente può ridurre la dimensione di separazione di fase e quindi aumentare le prestazioni del dispositivo. La formazione morfologia durante il processo di essiccazione solvente è studiato in situ da pascolo diffrazione incidenza dei raggi X e dispersione. Dispositivi di celle solari fabbricati usando il dado verniciatore mini slot ha mostrato un PCE media del 5,2% con le migliori condizioni di miscela di solventi, 20 che è simile a spin-coating dispositivi fabbricati. Il dispositivo a induzione mini-slot di stampo si apre un nuovo percorso per fabbricare dispositivi di celle solari in un ambiente di laboratorio di ricerca che imita un processo industriale, colmando una lacuna nel predire la vitalità di questi materiali in un industrialmente relimpostazione Evant.
Protocol
Representative Results
Discussion
Il metodo qui descritto si concentra sullo sviluppo di un metodo di preparazione del film che può essere facilmente trasformato in produzione industriale. stampa a film sottile e la caratterizzazione di sincrotrone morfologia sono i passaggi più critici con il protocollo. In precedenti ricerche di laboratorio in scala OPV, spin coating viene utilizzato come metodo dominante per fabbricare dispositivi a film sottile. Tuttavia, questo processo utilizza alta forza centrifuga a diffondersi soluzione BHJ, che è molto dive…
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 |
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