Impressão Fabricação de massa Heterojunction células solares e<em> In Situ</em> Morfologia Caracterização
Summary
Aqui, apresentamos um protocolo para fabricar células solares orgânicas fina película usando um aplicador die mini-slot e caracterizações estrutura relacionados em-line usando técnicas de síncrotron de dispersão.
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
células fotovoltaicas orgânicas (OPV) são uma tecnologia promissora para a produção de energias renováveis de baixo custo em um futuro próximo. 1, 2, 3 esforços tremendos foram feitos para desenvolver polímeros foto-activa e fabricar dispositivos de alta eficiência. Até à data, os dispositivos individuais OPV em camadas ter alcançado uma eficiência de conversão de energia> 10% (PCE). Essas eficiências foram alcançados em dispositivos escala laboratorial usando revestimento por rotação para gerar o filme, e tradução para dispositivos escala de tamanho maior tem sido repleta de reduções significativas na PCE. 4, 5 Na indústria, rolo a rolo de revestimento de película fina com base (R2R) é utilizado para gerar fotões películas finas activas sobre substratos condutores, o que é muito diferente dos processos típicos escala laboratorial, em particular na taxa de remoção do solvente. Isto é crítico, pois as morfologias são kinetically preso, que resulta da interacção entre vários processos cinéticos, incluindo a separação de fases, ordenação, orientação e evaporação do solvente. 6, 7 Esta morfologia cineticamente aprisionada, no entanto, determina em grande parte o desempenho dos dispositivos de células solares. Assim, a compreensão do desenvolvimento da morfologia durante o processo de revestimento é de grande importância para manipular a morfologia de modo a optimizar o desempenho.
A optimização da morfologia requer a compreensão da cinética associados com o ordenamento do polímero condutor de furo em solução como solvente é removido; 8, 9 quantificar as interações do polímero com o condutor de elétrons baseados em fulereno; 10, 11, 12 compreender os papéis de aditivos na definição da morfologia; 13, 14, 15 e equilibrar as taxas relativas de evaporação do solvente (s) e aditivos. 16 Tem sido um desafio para caracterizar a evolução da morfologia quantitativamente na camada activa em um ambiente industrialmente relevantes. processamento de roll-to-roll tem sido estudado para a fabricação de dispositivos OPV em grande escala. 4, 17 No entanto, estes estudos foram realizados numa configuração de fabrico em que grandes quantidades de materiais são usados, o que reduz eficazmente estudos aos polímeros disponíveis comercialmente.
Neste trabalho, os detalhes técnicos de fabricação de dispositivos OPV usando um sistema de revestimento die mini slot são demonstrados. parâmetros de revestimento tais como cinética de secagem filme e controle de espessura de filme são aplicáveis a processos de maior escala, fazendo com que este estudo directamente relacionada com fa indústrialubrificação periódi-. Além disso, uma quantidade muito pequena de material é usado na experiência de revestimento ranhura do cunho mini, tornando este processamento aplicável a novos materiais sintéticos. No desenho, este mini-ranhura do cunho revestidor pode ser montado em estações terminais sincrotrão, e de pastagem, assim, a incidência espalhamento pequeno ângulo de raios X (GISAXS) e difracção de raios-X (GIXD) pode ser utilizado para permitir estudos em tempo real sobre a evolução da morfologia sobre uma ampla gama de escalas de comprimento em diferentes fases do processo de secagem película sob uma gama de condições de processamento. As informações obtidas nestes estudos podem ser transferidos diretamente para um ambiente de fabricação industrial. A pequena quantidade de materiais usados permite um rastreio rápido de um grande número de materiais foto-activa e as suas misturas, em diferentes condições de processamento.
O diketopyrrolopyrrole semi-cristalino e quaterthiophene (DPPBT) base de banda de baixa conjugado polímero é usado como material de modelo dador, e (6,6) -fenil-C71 butyric éster metílico do ácido (PC 71 BM) é utilizado como o aceitador electrónico. 18, 19 Mostra-se em estudos anteriores que DPPBT: PC 71 BM formar misturas separação de fases tamanho grande quando se usa clorofórmio como o solvente. A clorofórmio: 1,2-diclorobenzeno mistura de solventes pode reduzir o tamanho da separação de fases e, assim, aumentar o desempenho do dispositivo. A formação morfologia durante o processo de secagem do solvente é investigado in situ por pastagem difracção de incidência de raios X e dispersão. Dispositivos da célula solar fabricada usando o molde revestidor mini slot mostrou um PCE média de 5,2% utilizando as melhores condições de misturas de solventes, 20, que é semelhante ao spin-coating dispositivos fabricados. O coater mini slot die abre uma nova rota para fabricar dispositivos de células solares em um ambiente de laboratório de pesquisa que imita um processo industrial, preenchendo uma lacuna no prevendo a viabilidade destes materiais em uma rel industrialmentedefinição Evant.
Protocol
Representative Results
Discussion
O método descrito aqui concentra-se no desenvolvimento de um método de preparação de película que pode ser facilmente dimensionado para cima na produção industrial. impressão de película fina e caracterização morfologia síncrotron são os passos mais críticos com o protocolo. Em pesquisas de laboratório em escala OPV anterior, revestimento rotativo é usado como o método dominante para fabricar dispositivos de película fina. No entanto, este processo utiliza uma elevada força centrífuga para se espalha…
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).
