Utskrift Fabrikasjon av Bulk hetero solceller og<em> In Situ</em> Morfologi Karakterisering
Summary
Her presenterer vi en protokoll for å dikte organiske tynnfilm solceller ved hjelp av en mini-slot die coater og relaterte struktur characterizations in-line ved hjelp av 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 for å produsere kostnadseffektive fornybar energi i nær fremtid. 1, 2, 3 Enorm innsats har blitt gjort for å utvikle foto aktive polymerer og dikte høy effektivitet enheter. Hittil har enkeltlags OPV enheter oppnådd en> 10% strøm konvertering effektivitet (PCE). Disse effektivitet er oppnådd på laboratorieskala enheter ved hjelp av spin belegg for å generere film, og oversettelse til større format skala-enheter har vært nervøs med betydelige reduksjoner i PCE. 4, 5 I industrien rull til rull (R2R) basert tynn film belegg brukes til å generere foton aktive tynne filmer på ledende substrater, noe som er helt forskjellig fra vanlig laboratorie-skala prosesser, spesielt i hastigheten for fjerning av løsningsmiddel. Dette er viktig ettersom morfologi er kinetically fanget, som følge av samspillet mellom flere kinetiske prosesser, herunder faseseparasjon, bestilling, orientering og væske fordampning. 6, 7 Dette kinetisk fanget morfologi, men bestemmer i stor grad resultatene av solcelle enheter. Således forstå utviklingen av morfologien under beleggingsprosessen er av stor betydning for å manipulere morfologien for derved å optimalisere ytelsen.
Optimalisering av morfologien krever forståelse kinetikken i forbindelse med bestilling av hullet-ledende polymer i løsning som løsningsmiddel er fjernet; 8, 9 kvantifisere interaksjoner av polymeren med Fullebaserte elektronleder; 10, 11, 12 forstå rollene til tilsetningsstoffer i å definere Morphologi; 13, 14, 15 og balansere de relative forekomst av fordampning av løsningsmidlet (e) og additiver. 16 Det har vært en utfordring å karakterisere utviklingen av morfologi kvantitativt i det aktive laget i et industrielt relevant setting. Rull-til-rull behandlingen har blitt studert for fabrikasjon av storskala OPV enheter. 4, 17 er imidlertid disse studiene ble utført i en produksjons omgivelser hvor store mengder av materialer som anvendes, effektivt begrenser studier til kommersielt tilgjengelige polymerer.
I denne utredningen, er de tekniske detaljene for fabrikere OPV enheter ved hjelp av en mini-slot dø belegg system demonstrert. Belegg parametere slik som film tørkekinetikk og filmtykkelseskontroll kan anvendes på større skala prosesser, noe som gjør denne studien er direkte relatert til industri fabrication. Dessuten er en meget liten mengde av materiale som anvendes i den mini spaltedyse belegg eksperiment, noe som gjør denne behandling anvendes på nye syntetiske materialer. I utforming, kan denne mini-spaltedyse coater monteres på synkrotron endestasjoner, og således streifende innfall i liten vinkel røntgen-spredning (GISAXS) og røntgendiffraksjon (GIXD) kan brukes for å muliggjøre sanntids studier på utviklingen av morfologien over et bredt område av lengdeskalaer på forskjellige stadier av filmen tørkeprosessen i henhold til et område av prosessbetingelser. oppnådd i disse studiene informasjon kan overføres direkte til en industriell produksjonsinnstillingen. Den lille mengden av materialer som brukes muliggjør en hurtig screening av et stort antall fotoaktive materialer og deres blandinger under forskjellige prosessbetingelser.
Den semi-krystallinske diketopyrrolopyrrole og quaterthiophene (DPPBT) basert lavfrekvens-konjugert polymer anvendes som modell avgivende materiale, og (6,6) -fenyl C71-butyric-metylester (PC 71 BM) anvendes som den elektroniske akseptor. 18, 19. Den er vist i tidligere studier at DPPBT: PC 71 BM blandinger danne store størrelsen faseseparasjon ved bruk av kloroform som løsningsmiddel. En kloroform: 1,2-diklorbenzen oppløsningsmiddelblanding kan redusere størrelsen på faseseparasjon og således øke ytelsen til enheten. Dannelsen morfologi i løpet av løsningsmidlet tørkeprosessen blir undersøkt in situ ved streifende innfall i røntgendiffraksjon og spredning. Solcelle enheter fabrikkert ved hjelp av mini-slot die coater viste en gjennomsnittlig PCE på 5,2% ved hjelp av de beste løsemiddelblandingen forhold, 20 som er lik spin-coating fabrikkerte enheter. Den mini-slot die-belegger åpner en ny rute til å dikte solcelle enheter i et forskningslaboratorium innstilling som etterligner en industriell prosess, fylle et tomrom i forutsi levedyktigheten til disse materialene i et industrielt relvante omgivelser.
Protocol
Representative Results
Discussion
Metoden som beskrives her fokuserer på å utvikle en film fremstillingsmetode som lett kan skaleres opp i industriell produksjon. Thin film utskrift og synkrotron morfologi karakterisering er de mest kritiske trinn med protokollen. I tidligere lab skalert OPV forskning, blir spinnavsetning anvendes som den dominerende metode for å fremstille tynnfilm enheter. Men bruker denne prosessen høy sentrifuge kraft til å spre seg BHJ løsning, som er ganske forskjellig fra industri basert rull-til-rull fabrikasjon. Dermed ku…
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).
