Impressão Fabricação de massa Heterojunction células solares e<em> In Situ</em> Morfologia Caracterização

Summary

Aqui, apresentamos um protocolo para fabricar células solares orgânicas fina película usando um aplicador die mini-slot e caracterizações estrutura relacionados em-line usando técnicas de síncrotron de dispersão.

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

células fotovoltaicas orgânicas (OPV) são uma tecnologia promissora para a produção de energias renováveis ​​de baixo custo em um futuro próximo. ^{1, 2, 3} esforços tremendos foram feitos para desenvolver polímeros foto-activa e fabricar dispositivos de alta eficiência. Até à data, os dispositivos individuais OPV em camadas ter alcançado uma eficiência de conversão de energia> 10% (PCE). Essas eficiências foram alcançados em dispositivos escala laboratorial usando revestimento por rotação para gerar o filme, e tradução para dispositivos escala de tamanho maior tem sido repleta de reduções significativas na PCE. ^{4, 5} Na indústria, rolo a rolo de revestimento de película fina com base (R2R) é utilizado para gerar fotões películas finas activas sobre substratos condutores, o que é muito diferente dos processos típicos escala laboratorial, em particular na taxa de remoção do solvente. Isto é crítico, pois as morfologias são kinetically preso, que resulta da interacção entre vários processos cinéticos, incluindo a separação de fases, ordenação, orientação e evaporação do solvente. ^{6, 7} Esta morfologia cineticamente aprisionada, no entanto, determina em grande parte o desempenho dos dispositivos de células solares. Assim, a compreensão do desenvolvimento da morfologia durante o processo de revestimento é de grande importância para manipular a morfologia de modo a optimizar o desempenho.

A optimização da morfologia requer a compreensão da cinética associados com o ordenamento do polímero condutor de furo em solução como solvente é removido; ^{8, 9} quantificar as interações do polímero com o condutor de elétrons baseados em fulereno; ^{10, 11, 12} compreender os papéis de aditivos na definição da morfologia; ^{13, 14, 15} e equilibrar as taxas relativas de evaporação do solvente (s) e aditivos. ¹⁶ Tem sido um desafio para caracterizar a evolução da morfologia quantitativamente na camada activa em um ambiente industrialmente relevantes. processamento de roll-to-roll tem sido estudado para a fabricação de dispositivos OPV em grande escala. ^{4, 17} No entanto, estes estudos foram realizados numa configuração de fabrico em que grandes quantidades de materiais são usados, o que reduz eficazmente estudos aos polímeros disponíveis comercialmente.

Neste trabalho, os detalhes técnicos de fabricação de dispositivos OPV usando um sistema de revestimento die mini slot são demonstrados. parâmetros de revestimento tais como cinética de secagem filme e controle de espessura de filme são aplicáveis ​​a processos de maior escala, fazendo com que este estudo directamente relacionada com fa indústrialubrificação periódi-. Além disso, uma quantidade muito pequena de material é usado na experiência de revestimento ranhura do cunho mini, tornando este processamento aplicável a novos materiais sintéticos. No desenho, este mini-ranhura do cunho revestidor pode ser montado em estações terminais sincrotrão, e de pastagem, assim, a incidência espalhamento pequeno ângulo de raios X (GISAXS) e difracção de raios-X (GIXD) pode ser utilizado para permitir estudos em tempo real sobre a evolução da morfologia sobre uma ampla gama de escalas de comprimento em diferentes fases do processo de secagem película sob uma gama de condições de processamento. As informações obtidas nestes estudos podem ser transferidos diretamente para um ambiente de fabricação industrial. A pequena quantidade de materiais usados ​​permite um rastreio rápido de um grande número de materiais foto-activa e as suas misturas, em diferentes condições de processamento.

O diketopyrrolopyrrole semi-cristalino e quaterthiophene (DPPBT) base de banda de baixa conjugado polímero é usado como material de modelo dador, e (6,6) -fenil-C71 butyric éster metílico do ácido (PC ₇₁ BM) é utilizado como o aceitador electrónico. ^{18, 19} Mostra-se em estudos anteriores que DPPBT: PC ₇₁ BM formar misturas separação de fases tamanho grande quando se usa clorofórmio como o solvente. A clorofórmio: 1,2-diclorobenzeno mistura de solventes pode reduzir o tamanho da separação de fases e, assim, aumentar o desempenho do dispositivo. A formação morfologia durante o processo de secagem do solvente é investigado in situ por pastagem difracção de incidência de raios X e dispersão. Dispositivos da célula solar fabricada usando o molde revestidor mini slot mostrou um PCE média de 5,2% utilizando as melhores condições de misturas de solventes, ^20, que é semelhante ao spin-coating dispositivos fabricados. O coater mini slot die abre uma nova rota para fabricar dispositivos de células solares em um ambiente de laboratório de pesquisa que imita um processo industrial, preenchendo uma lacuna no prevendo a viabilidade destes materiais em uma rel industrialmentedefinição Evant.

Protocol

Preparação Mistura Ink 1. Photon-ativa Pesar 10 mg de polímero DPPBT e 10 mg de material de PC 71 BM (estruturas químicas mostrados na Figura 1). Misturá-los em um frasco de 4 ml. Adicionar 1,5 ml de clorofórmio e 75 mL de 1,2-diclorobenzeno na mistura. Coloque uma pequena barra de agitação dentro do frasco, feche o frasco com um politetrafluoretileno (PTFE) boné, e transferir o frasco para um prato quente. Agita-se a ~ 400 rpm e aquece-se a ~ 50 ° C d…

Representative Results

Mostrado na Figura 3 é o sistema de revestimento de molde mini-slot. É constituída por uma máquina de revestimento, uma bomba de seringa e uma caixa de controlo central. A máquina de revestimento é a parte essencial, que é feito de uma cabeça de ranhura do cunho, um estágio de translação horizontal, e um estágio de translação vertical. A cabeça ranhura do cunho está montado na base de um motor de translação vertical através de um manipulador de inclina…

Discussion

O método descrito aqui concentra-se no desenvolvimento de um método de preparação de película que pode ser facilmente dimensionado para cima na produção industrial. impressão de película fina e caracterização morfologia síncrotron são os passos mais críticos com o protocolo. Em pesquisas de laboratório em escala OPV anterior, revestimento rotativo é usado como o método dominante para fabricar dispositivos de película fina. No entanto, este processo utiliza uma elevada força centrífuga para se espalha…

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