Fabrication d'impression de gros hétérojonction cellules solaires et<em> In Situ</em> Morphologie Caractérisation
Summary
Ici, nous présentons un protocole pour fabriquer des cellules solaires à couches minces organiques en utilisant une matrice coucheuse mini-slot et caractérisations connexes en ligne de structure en utilisant des techniques de diffusion de synchrotron.
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
Photovoltaïque organique (OPV) sont une technologie prometteuse pour produire des énergies renouvelables rentables dans un avenir proche. 1, 2, 3 énormes efforts ont été faits pour développer des polymères photo-active et fabriquer des dispositifs à haute efficacité. À ce jour, seules les dispositifs en couches VPO ont obtenu un rendement de conversion de puissance> 10% (PCE). Ces gains d'efficacité ont été réalisés sur des dispositifs à l'échelle de laboratoire en utilisant le revêtement par centrifugation pour produire le film, et la traduction à des appareils de plus grande échelle de taille a été lourde de réductions significatives du PCE. 4, 5 Dans l' industrie, roll-to-roll revêtement de film mince (R2R) sur la base est utilisée pour générer des photons couches minces actives sur des substrats conducteurs, ce qui est tout à fait différent des procédés typiques échelle du laboratoire, en particulier dans le taux d'élimination du solvant. Cela est essentiel puisque les morphologies sont kinetically piégé résultant de l'interaction entre de multiples processus cinétiques, y compris la séparation des phases, la commande, l'orientation et l'évaporation du solvant. 6, 7 Cette morphologie cinétiquement piégées, cependant, détermine en grande partie les performances des dispositifs à cellules solaires. Par conséquent, la compréhension de l'évolution de la morphologie pendant le processus de revêtement est d'une grande importance pour la manipulation de la morphologie de manière à optimiser les performances.
L'optimisation de la morphologie, il faut comprendre la cinétique associée à la commande du polymère conducteur de trous dans la solution de solvant est éliminé; 8, 9 quantifier les interactions entre le polymère avec le conducteur d'électrons à base de fullerène; 10, 11, 12 comprendre les rôles des additifs dans la définition du morphologie; 13, 14, 15 et d' équilibrer les vitesses relatives d'évaporation du solvant (s) et des additifs. 16 Il a été un défi pour caractériser l'évolution de la morphologie quantitativement dans la couche active dans un cadre pertinent industriellement. traitement Roll-to-roll a été étudié pour la fabrication de dispositifs à grande échelle VPO. 4, 17 Toutefois, ces études ont été réalisées dans un environnement de fabrication où de grandes quantités de matériaux sont utilisés, ce qui limite efficacement les études de polymères disponibles dans le commerce.
Dans cet article, les détails techniques de fabrication de dispositifs de VPO en utilisant un système de revêtement de la filière mini-fente sont démontrées. paramètres de revêtement tels que la cinétique de séchage de film et le contrôle de l'épaisseur du film sont applicables aux grands procédés à l'échelle, ce qui rend cette étude directement liée à l'industrie fabrication. Par ailleurs, une très petite quantité de matière est utilisée dans l'expérience de revêtement fente de filière de mini, ce qui rend ce traitement applicable à de nouveaux matériaux synthétiques. Dans la conception, ce mini-slot die coucheuse peut être monté sur les stations terminales de synchrotron, et le pâturage ainsi l'incidence diffusion aux petits angles de rayons X (GISAXS) et diffraction des rayons X (GIXD) peut être utilisé pour permettre des études en temps réel sur l'évolution de la morphologie dans une large gamme d'échelles de longueur à différentes étapes du processus de séchage du film dans une gamme de conditions de traitement. Les informations obtenues dans ces études peut être transféré directement à un réglage de la fabrication industrielle. La petite quantité de matériaux utilisés permet un criblage rapide d'un grand nombre de matériaux photo-actifs et leurs mélanges dans diverses conditions de traitement.
Dicétopyrrolopyrrole semi-cristallin et quaterthiophène (DPPBT) sur la base faible polymère conjugué à bande est utilisé en tant que matériau modèle donneur, et (6,6) -phényl-C71 butyric ester méthylique d' acide (PC 71 BM) est utilisé comme accepteur électronique. 18, 19 Il est montré dans les études précédentes que DPPBT: PC 71 BM mélanges forment grande séparation de phase de taille lors de l' utilisation du chloroforme comme solvant. Un mélange chloroforme: 1,2-dichlorobenzène mélange de solvant peut réduire la taille de la séparation des phases et ainsi augmenter les performances du dispositif. La formation de la morphologie pendant le processus de séchage du solvant est étudiée in situ par diffraction broutage incidence des rayons X et la diffusion. Dispositifs à cellules solaires fabriquées en utilisant la mini-slot die coucheuse a montré une PCE moyenne de 5,2% en utilisant les meilleures conditions de mélanges de solvants, 20 qui est similaire à spin-coating dispositifs fabriqués. La coucheuse mini-filière à fente ouvre une nouvelle voie pour fabriquer des dispositifs de cellules solaires dans un laboratoire de recherche qui imite un processus industriel, de combler une lacune dans la prédiction de la viabilité de ces matériaux dans un rel industrielparamètre perti-.
Protocol
Representative Results
Discussion
La méthode décrite ici vise à développer un procédé de préparation du film qui peut être facilement mis à l'échelle de la production industrielle. l'impression de film mince et synchrotron morphologie de caractérisation sont les étapes les plus critiques avec le protocole. Dans la recherche laboratoire de VPO échelle précédente, le revêtement par centrifugation est utilisé comme la principale méthode pour fabriquer des dispositifs à couches minces. Cependant, ce procédé utilise la force cent…
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 |
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