Tryckning Tillverkning av Bulk hetero solceller och<em> In Situ</em> Morfologi Karakterisering
Summary
Här presenterar vi ett protokoll för att tillverka organiskt tunnfilmssolceller med hjälp av en mini-slot die coater och tillhörande in-line struktur karakteriseringar använder synkrotron spridningstekniker.
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
Organiska solceller (OPV) är en lovande teknik för att producera kostnadseffektiva förnybara energikällor inom en snar framtid. 1, 2, 3 enorma ansträngningar har gjorts för att utveckla fotoaktiva polymerer och tillverka högeffektiva enheter. Hittills har enstaka lager OPV enheter uppnått en verkningsgrad> 10% Power Conversion (PCE). Dessa effektivitetsvinster har uppnåtts i laboratorieskala enheter med spinnbeläggning för att generera film och översättning till större storlekstabellen enheter har varit fylld med betydande minskningar i PCE. 4, 5 Inom industrin, roll-to-roll (R2R) baserad tunnfilmsbeläggning används för att generera foton aktiva tunna filmer på ledande substrat, vilket är helt annorlunda från typiska laboratorieskala processer, särskilt i hastigheten för avlägsnande av lösningsmedel. Detta är avgörande eftersom morfologier är kinetically instängd, till följd av samspelet mellan flera kinetiska processer, inklusive fasseparation, beställning, orientering och lösningsmedelsindunstning. 6, 7 Detta kinetiskt fångade morfologi, men till stor del avgör utförandet av solcellsanordningar. Således, att förstå utvecklingen av morfologin under beläggningsprocessen är av stor betydelse för att manipulera morfologin för att optimera prestanda.
Optimeringen av morfologin kräver att förstå kinetiken associerade med beställning av hålet ledande polymer i lösning som lösningsmedlet avlägsnas; 8, 9 att kvantifiera de interaktioner av polymeren med fulleren baserade elektronledaren; 10, 11, 12 att förstå rollerna för tillsatser i att definiera morphology; 13, 14, 15 och balansera de relativa hastigheterna för avdunstning av lösningsmedlet (n) och tillsatser. 16 Det har varit en utmaning att karakterisera utvecklingen av morfologi kvantitativt i det aktiva lagret i ett industriellt relevant miljö. Rulle-till-rulle behandling har studerats för tillverkning av storskaliga OPV enheter. 4, 17 var dock dessa studier utförs i en tillverkningsmiljö där används stora mängder material, effektivt begränsa studier till kommersiellt tillgängliga polymerer.
I detta dokument är de tekniska detaljerna för tillverkning av OPV enheter med en mini-slitsmunstycke beläggningssystem demonstreras. Beläggningsparametrar såsom filmtork kinetik och skikttjocklek kontroll gäller för större skala processer, vilket gör denna studie är direkt relaterade till industrin fabrication. Dessutom, är en mycket liten mängd av material som används i mini slitsmunstycket beläggnings experimentet, vilket gör denna behandling tillämpas på nya syntetiska material. I design, kan denna mini-slitsmunstycke beläggare monteras på synkrotron ändstationer, och sålunda bete infalls liten vinkel röntgenspridning (GISAXS) och röntgendiffraktion (GIXD) kan användas för att göra det möjligt för realtidsstudier om utvecklingen av morfologin över ett brett område av längdskalor i olika skeden av filmtorkningsprocessen under ett område av processbetingelser. Den information som erhållits i dessa studier kan överföras direkt till en industriell tillverkningsmiljö. Den lilla mängd material som används möjliggör en snabb screening av ett stort antal fotoaktiva materialen och deras blandningar under olika bearbetningsförhållanden.
Den halvkristallina diketopyrrolopyrrol och quaterthiophene (DPPBT) baserad låga bandet konjugerad polymer används som modell donatormaterial, och (6,6) -fenyl C71-butyric-metylester (PC 71 BM) används som den elektroniska acceptor. 18, 19 Det visas i tidigare studier som DPPBT: PC 71 BM blandningar bildar stora storleken fasseparation vid användning av kloroform som lösningsmedel. En kloroform: 1,2-diklorbensen lösningsmedelsblandningen kan minska storleken på fasseparation och därmed öka anordningens prestanda. Morfologin formation under lösningsmedelstorkningsprocessen undersöks in situ genom betande incidens röntgendiffraktion och spridning. Solcells enheter tillverkas med hjälp av mini-slot die coater visade en genomsnittlig PCE 5,2% genom att använda de bästa lösningsmedelsblandningsförhållanden, 20 som liknar spin-beläggning tillverkade enheter. Mini-slitsmunstycke beläggnings öppnar en ny rutt för att tillverka solcells enheter i laboratoriemiljö forskning som härmar en industriell process, att fylla en lucka i förutsäga lönsamheten av dessa material i en industriellt relvanta inställning.
Protocol
Representative Results
Discussion
Den metod som beskrivs här fokuserar på att utveckla en film framställningsmetod som lätt kan skalas upp i industriell produktion. Tunnfilms utskrift och synkrotronljus morfologi karakterisering är de mest kritiska stegen med protokollet. I tidigare lab skalas OPV forskning är spinnbeläggning används som den dominerande metoden att tillverka tunnfilmsanordningar. Emellertid använder denna process höga centrifugkraft för att sprida ut BHJ lösning, som är helt annorlunda från industriellt baserad roll-to-rol…
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).
