Udskrivning Fabrikation af Bulk heterojunction solceller og<em> In Situ</em> Morfologi Karakterisering
Summary
Her præsenterer vi en protokol til at fabrikere organisk tyndfilm solceller ved hjælp af en mini-slot die coater og relaterede in-line struktur karakteriseringer hjælp synkrotron spredningsteknikker.
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
Organiske solceller (OPV) er en lovende teknologi til at producere omkostningseffektive vedvarende energikilder i den nærmeste fremtid. Der er foretaget 1, 2, 3 enorme indsats for at udvikle foto-aktive polymerer og fabrikere høje enheder effektivitet. Til dato har enkelt lag OPV enheder opnået en> 10% effekt virkningsgrad (PCE). Disse effektivitetsgevinster er opnået på laboratorieskala enheder ved hjælp af spin-belægning for at generere film og oversættelse til større størrelse skala enheder har været fyldt med betydelige reduktioner i PCE. 4, 5 I industrien roll-to-roll (R2R) baseret tynd film coating anvendes til at generere foton aktive tynde film på ledende substrater, som er helt forskellige fra typiske laboratorieskala processer, især i hastigheden af fjernelse af opløsningsmiddel. Dette er kritisk, da de morfologier er kinetisk fanget som følge af samspillet mellem flere kinetiske processer, herunder faseadskillelse, bestilling, orientering og fordampning af opløsningsmidlet. 6, 7 Denne kinetisk fanget morfologi, dog bestemmer stort set udførelsen af de solcelle-enheder. Således forstå udviklingen i morfologien under belægningsprocessen er af stor betydning for at manipulere morfologien for således at optimere ydeevnen.
Optimeringen af morfologien kræver forståelse kinetikken forbundet med bestilling af hullet-ledende polymer i opløsning som opløsningsmiddel fjernes; 8, 9 kvantificering interaktionerne af polymeren med fulleren-baserede elektron leder; 10, 11, 12 forståelse roller tilsætningsstoffer i at definere morphology; 13, 14, 15 og balancering de relative afdampning af opløsningsmidlet (er) og additiver. 16. Det har været en udfordring at karakterisere udviklingen af morfologi kvantitativt i det aktive lag i en industrielt relevant indstilling. Rulle-til-rulle behandling er blevet undersøgt til fremstilling af skalaen OPV enheder store. 4, 17 Imidlertid blev disse undersøgelser udført i en indstilling fremstilling, hvor der anvendes store mængder af materialer, der effektivt begrænser undersøgelser med kommercielt tilgængelige polymerer.
I dette papir, er de tekniske detaljer i opdigte OPV enheder ved hjælp af en mini-slot die coating systemet demonstreret. Coating parametre såsom film tørring kinetik og kontrol lagtykkelse gælder for større skala processer, hvilket gør denne undersøgelse direkte relateret til industrien fabrication. Desuden er en meget lille mængde materiale, der anvendes i mini slot die coating eksperiment, hvilket gør denne behandling gældende for nye syntetiske materialer. I design, kan denne mini-slot die coater monteres på synkrotron ende stationer, og dermed strejfende indfald lille vinkel røntgenspredning (GISAXS) og røntgendiffraktion (GIXD) kan anvendes til at muliggøre real-time undersøgelser af udviklingen af morfologien over et bredt område af længden skalaer på forskellige stadier af filmen tørringsproces under en række procesbetingelser. Information opnået i disse studier kan overføres direkte til en industriel indstilling produktion. Den lille mængde anvendte materialer muliggør en hurtig screening af et stort antal fotoaktive materialer og deres blandinger under forskellige procesbetingelser.
Den semikrystallinske diketopyrrolopyrrol og quaterthiophene (DPPBT) baseret lav band konjugeret polymer anvendes som model donor materiale, og (6,6) -phenyl C71-butyric-methylester (PC 71 BM) anvendes som den elektroniske acceptor. 18, 19 Det er vist i tidligere undersøgelser, der DPPBT: PC 71 BM blandinger danner store størrelse faseadskillelse ved brug af chloroform som opløsningsmidlet. En chloroform: blanding 1,2-dichlorbenzen opløsningsmiddel kan reducere størrelsen af faseadskillelse og dermed øge enhedens ydeevne. Morfologien dannelse under opløsningsmidlet tørreprocessen undersøges in situ ved strejfende indfald røntgendiffraktion og spredning. Solcelle indretninger fremstillet ved hjælp af mini-slot die coater viste en gennemsnitlig PCE på 5,2% under anvendelse af de bedste opløsningsmiddelblanding betingelser, 20, der svarer til spin-coating fabrikerede enheder. Mini-slot die coater åbner en ny rute til at fabrikere solcelle-enheder i et forskningslaboratorium indstilling, der efterligner en industriel proces, udfylde et hul i forudsige levedygtighed af disse materialer i en industrielt relvante omgivelser.
Protocol
Representative Results
Discussion
Den her beskrevne fremgangsmåde fokuserer på at udvikle en film fremstillingsmetode, der let kan skaleres op i industriel produktion. Tynd film trykning og synkrotron morfologi karakterisering er de mest kritiske trin med protokollen. I tidligere lab skaleret OPV forskning, er spin-coating anvendt som den dominerende metode til at fremstille tyndfilm-enheder. Men denne proces bruger, høj centrifuge kraft til at sprede sig BHJ løsning, som er helt forskellig fra industrielt baseret roll-to-roll fabrikation. Således …
Declarações
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 |
Referências
- 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).
- 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).
- 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).
