الطباعة تصنيع السائبة متغاير الخلايا الشمسية و<em> في الموقع</em> الصرف توصيف
Summary
هنا، نقدم بروتوكول لتصنيع الخلايا الشمسية العضوية رقيقة باستخدام مصغرة فتحة يموت المغطي وما يتصل بها من الأوصاف هيكل في الخط باستخدام تقنيات السنكروترون نثر.
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
الخلايا الكهروضوئية العضوية (OPV) هي تكنولوجيا واعدة لإنتاج الطاقات المتجددة فعالة من حيث التكلفة في المستقبل القريب. وقد بذلت 1، 2، 3 جهود هائلة لتطوير البوليمرات الصورة النشطة وتصنيع الأجهزة ذات الكفاءة العالية. حتى الآن، وقد حققت الأجهزة OPV الطبقات واحدة و> 10٪ كفاءة تحويل الطاقة (PCE). وقد تحققت هذه الكفاءات على الأجهزة على نطاق المختبر باستخدام طلاء تدور لتوليد الفيلم، والترجمة إلى أجهزة نطاق أوسع حجم كان محفوفا تخفيضات كبيرة في نفقات الاستهلاك الشخصي. 4 و 5 في الصناعة، لفة إلى لفة يستخدم طلاء طبقة رقيقة (R2R) استنادا لتوليد الفوتون الأغشية الرقيقة نشطة على ركائز موصل، والذي يختلف تماما عن العمليات على نطاق المختبرات النموذجية، لا سيما في معدل إزالة المذيبات. هذا أمر بالغ الأهمية لأن الأشكال التضاريسية هي كيالمحاصرين netically، الناتجة عن التفاعل بين العمليات الحركية متعددة، بما في ذلك فصل المرحلة، وطلب والتوجيه وتبخر المذيبات. 6، 7 هذا التشكل المحاصرين حركيا، على الرغم من يحدد إلى حد كبير أداء الأجهزة الخلايا الشمسية. وبالتالي، فهم تطور التشكل أثناء عملية الطلاء غير ذات أهمية عالية للتحكم في التشكل وذلك لتحسين الأداء.
وتعظيم الاستفادة من التشكل يتطلب فهم حركية المرتبطة طلب من البوليمر إجراء ثقب في الحل كما تتم إزالة المذيب. 8، 9 قياس تفاعلات البوليمر مع موصل الإلكترون القائم على الفوليرين. 10، 11، 12 فهم أدوار المضافات في تحديد مورفوبليد الحركة. 13، 14، 15 وتحقيق التوازن بين معدلات النسبية للتبخر المذيب (ق) والمواد المضافة. 16 لقد كان تحديا للتميز تطور مورفولوجية كميا في الطبقة النشطة في بيئة ذات الصلة صناعيا. وقد درس معالجة لفة إلى لفة لتصنيع الأجهزة على نطاق وOPV كبيرة. 4، 17 ومع ذلك، أجريت هذه الدراسات في إعداد التصنيع حيث يتم استخدام كميات كبيرة من المواد، مما يحد بشكل فعال من الدراسات لالبوليمرات المتاحة تجاريا.
في هذه الورقة، وبرهنت على التفاصيل الفنية لتصنيع الأجهزة اللقاح باستخدام مصغرة فتحة نظام يموت الطلاء. المعلمات طلاء مثل حركية تجفيف فيلم والسيطرة سمك الفيلم هي التي تنطبق على العمليات على نطاق أوسع، مما يجعل هذه الدراسة ذات الصلة مباشرة إلى اتحاد كرة القدم الصناعةbrication. الى جانب ذلك، يتم استخدام كمية صغيرة جدا من المواد في فتحة يموت مصغرة تجربة الطلاء، مما يجعل هذه المعالجة المطبقة على المواد الاصطناعية الجديدة. في التصميم، وهذا مصغرة فتحة يموت المغطى يمكن تركيبه على محطات نهاية السنكروترون، وبالتالي الرعي حدوث صغير نثر زاوية الأشعة السينية (GISAXS) وحيود الأشعة السينية (GIXD) يمكن استخدامها لتمكين الدراسات في الوقت الحقيقي على تطور من التشكل على مدى واسع من طول المقاييس في مراحل مختلفة من عملية التجفيف الفيلم في إطار مجموعة من الشروط المعالجة. المعلومات التي تم الحصول عليها في هذه الدراسات يمكن نقلها مباشرة إلى بيئة الإنتاج الصناعي. كمية صغيرة من المواد المستخدمة يمكن فحص سريع لعدد كبير من المواد الصورة النشطة والخلائط تحت ظروف التصنيع المختلفة.
يتم استخدام diketopyrrolopyrrole شبه البلورية وquaterthiophene (DPPBT) على انخفاض الفرقة مترافق البوليمر كمادة نموذج المانحة، و (6،6) -phenyl C71-butyriويستخدم حمض ج استر الميثيل (PC 71 BM) كما متقبل الإلكترونية. 18، 19 وتبين في دراسات سابقة أن DPPBT: PC 71 BM يمزج شكل كبير فصل مرحلة حجم عند استخدام الكلوروفورم مثل المذيبات. والكلوروفورم: 1،2-ثنائي الكلور خليط المذيبات يمكن أن تقلل من حجم فصل المرحلة، وبالتالي زيادة أداء الجهاز. ويجري التحقيق تشكيل التشكل أثناء عملية التجفيف المذيبات في الموقع عن طريق الرعي الحيود حدوث الأشعة السينية ونثر. ملفقة أجهزة الخلايا الشمسية باستخدام أظهر مصغرة فتحة يموت المغطي لنفقات الاستهلاك الشخصي في المتوسط إلى 5.2٪ باستخدام أفضل الظروف خليط المذيبات، 20 التي هي مماثلة لتدور طلاء الأجهزة ملفقة. يفتح المغطى مصغرة فتحة يموت طريقا جديدا لصنع أجهزة الخلايا الشمسية في إعداد مختبر الأبحاث أن يحاكي عملية صناعية، وملء فجوة في توقع بقاء هذه المواد في يختلط صناعياوضع evant.
Protocol
Representative Results
Discussion
الطريقة الموصوفة هنا يركز على تطوير طريقة إعداد الفيلم الذي يمكن زيادتها بسهولة في الإنتاج الصناعي. رقيقة طباعة الفيلم وتوصيف السنكروترون التشكل هي الخطوات الأكثر أهمية مع البروتوكول. في مختبر الابحاث تحجيم OPV السابق، يتم استخدام طلاء تدور كأسلوب المهيمن لافتعال ا?…
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).
