Печать Изготовление Bulk гетероперехода солнечных элементов и<em> В Ситу</em> Морфология характеристика
Summary
Здесь мы приводим протокол изготовить органические тонкопленочные солнечные элементы с использованием устройства для нанесения покрытий матрицы минислот и связанные с ним характеризации структуры, в-линии с использованием методов синхротронного рассеяния.
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
Органические фотоэлектрические (ОПВ) являются перспективной технологией для создания экономически эффективных возобновляемых источников энергии в ближайшем будущем. 1, 2, 3 Колоссальные усилия были предприняты для разработки фотоактивного полимеров и изготовления устройств высокой эффективности. На сегодняшний день однослойное устройства ОПВ достигается эффективность преобразования энергии в> 10% (ОФП). Эти эффективности были достигнуты на лабораторных опытах с использованием устройств спинового покрытия для создания пленки, а также для перевода масштабных устройств большего размера был сопряжен со значительным снижением в PCE. 4, 5 В промышленности, катиться к рулону (R2R) на основе тонкой пленки покрытия используется для генерации фотонов активных тонких пленок на проводящих подложках, которые довольно сильно отличается от типичных лабораторных масштабных процессов, особенно в скорости удаления растворителя. Это очень важно, так как являются морфологию кировские в ловушке, в результате взаимодействия между несколькими кинетических процессов, в том числе разделения фаз, упорядочения, ориентации и испарения растворителя. 6, 7 В этом кинетически захваченный морфологию, хотя, в значительной степени определяет производительность устройства солнечных батарей. Таким образом, понимание развития морфологии в процессе нанесения покрытия имеет большое значение для манипулирования морфологию, с тем, чтобы оптимизировать производительность.
Оптимизация морфологии требует понимания кинетики, связанных с упорядочением дырочной проводимостью полимера в растворе, удаляют растворитель; 8, 9 количественной оценки взаимодействия полимера с фуллерена на основе электронного проводника; 10, 11, 12 понимания роли добавок в определении морфология; 13, 14, 15 и балансирование относительных скоростей испарения растворителя (ов) и добавок. 16 Это было непростой задачей охарактеризовать эволюцию морфологии количественно в активном слое в промышленно соответствующей обстановке. обработка с рулона на рулон был изучен для изготовления крупномасштабных ОПВ устройств. 4, 17 Тем не менее, эти исследования проводились в условиях производства , где используются большие количества материалов, эффективно ограничивая исследования коммерчески доступные полимеры.
В данной работе, технические детали изготовления ОПВ устройств с использованием системы нанесения покрытия головкой минислот демонстрируются. Параметры покрытия, такие как кинетика сушки пленки и контроля толщины пленки применимы к более масштабных процессов, что делает данное исследование непосредственно связанным с развитием промышленности фаbrication. Кроме того, очень небольшое количество материала, используется в мини-щелевой экструзионной головки эксперимента для нанесения покрытия, что делает эту обработку, применимый к новым синтетическим материалам. В дизайне, этот мини-слот штампа для нанесения покрытий могут быть установлены на концевых синхротронное станций, и, таким образом, скользящем падении небольшой угол рентгеновского рассеяния (GISAXS) и рентгеновской дифракции (GIXD) может быть использован для того, чтобы исследования в режиме реального времени на эволюцию морфологии в широком диапазоне длины шкалы на различных этапах процесса сушки пленки при различных условиях обработки. Информация, полученная в этих исследованиях могут быть непосредственно перенесены на установке промышленного производства. Небольшое количество используемых материалов позволяет быстро скрининга большого количества фото-активных веществ и их смесей при различных условиях обработки.
Полукристаллический diketopyrrolopyrrole и quaterthiophene (DPPBT) на основе низкой полосы, конъюгированный полимер используют в качестве модели донорского материала, и (6,6) фенил С71-butyriC кислоты метиловый эфир (ПК 71 БМ) используется в качестве электронного акцептора. 18, 19 показано в предыдущих исследованиях , что DPPBT: PC 71 BM смеси образуют большое разделение фаз размера при использовании хлороформа в качестве растворителя. В хлороформе: 1,2-дихлорбензол смесь растворителей может уменьшить размер разделения фаз и тем самым увеличить производительность устройства. Формирование морфологии в процессе сушки растворителя исследована на месте путем скользящем падении рентгеновской дифракции и рассеяния. Солнечные устройства клеток , изготовленных с использованием штампа для нанесения покрытий минислот показал среднюю PCE на 5,2% с использованием лучших растворителей условия смеси 20 , который похож на спин-покрытия , изготавливаемых устройств. Для нанесения покрытий мини-слот штампа открывает новый маршрут для изготовления устройств солнечных элементов в лабораторных условиях исследования, который имитирует производственный процесс, заполняя пробел в предсказании жизнеспособности этих материалов в промышленно отнустановка Эвант.
Protocol
Representative Results
Discussion
Метод, описанный здесь основное внимание уделяется разработке способа получения пленки, которая может быть легко масштабируется в промышленном производстве. Тонкие пленки и печати синхротронное морфология характеристики являются наиболее важные шаги с протоколом. В предыдущих иссл…
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).
