La fabricación de la impresión a granel heterounión células solares y<em> In Situ</em> Morfología Caracterización
Summary
A continuación, se presenta un protocolo para la fabricación de células solares de película delgada orgánica utilizando un revestidor de troquel mini-ranura y relacionados caracterizaciones estructura en línea utilizando técnicas de dispersión de sincrotrón.
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
fotovoltaica orgánica (OPV) son una tecnología prometedora para producir energías renovables rentables en un futuro próximo. Se han realizado 1, 2, 3 enormes esfuerzos para desarrollar polímeros foto-activa y fabricar dispositivos de alta eficiencia. Hasta la fecha, solo los dispositivos de OPV en capas han logrado una eficiencia de conversión de potencia> 10% (PCE). Estas eficiencias se han logrado en los dispositivos a escala de laboratorio usando recubrimiento por rotación para generar la película, y la traducción de los dispositivos de escala de mayor tamaño ha estado plagado con reducciones significativas en el PCE. 4, 5 En la industria, de rollo a rollo de revestimiento de película delgada (R2R) basado se utiliza para generar fotones películas delgadas activos en sustratos conductores, que es bastante diferente de los procesos típicos a escala de laboratorio, en particular en la tasa de eliminación del disolvente. Esto es fundamental, ya que las morfologías son kicamente atrapado, que resulta de la interacción entre múltiples procesos cinéticos, incluyendo la separación de fases, el pedido, la orientación y la evaporación del disolvente. 6, 7 Esta morfología cinéticamente atrapado, sin embargo, determina en gran medida el rendimiento de los dispositivos de células solares. Por lo tanto, la comprensión del desarrollo de la morfología durante el proceso de recubrimiento es de gran importancia para la manipulación de la morfología a fin de optimizar el rendimiento.
La optimización de la morfología requiere la comprensión de la cinética asociados con el orden de polímero conductor de agujero en solución como se eliminó el disolvente; 8, 9 cuantificación de las interacciones del polímero con el conductor de electrones a base de fullereno; 10, 11, 12 la comprensión de las funciones de los aditivos en la definición de la morfopesado; 13, 14, 15 y el equilibrio de las velocidades relativas de la evaporación del disolvente (s) y aditivos. 16 Ha sido un reto para caracterizar la evolución de la morfología cuantitativamente en la capa activa en un entorno industrial pertinente. procesamiento de rollo a rollo ha sido estudiado para la fabricación de dispositivos de OPV a gran escala. 4, 17 Sin embargo, estos estudios se realizaron en un entorno de fabricación en donde se utilizan grandes cantidades de materiales, lo que limita efectivamente estudios a polímeros disponibles comercialmente.
En este trabajo, se demuestran los detalles técnicos de la fabricación de dispositivos de OPV usando un sistema de revestimiento con matriz mini-ranura. parámetros de recubrimiento tales como la cinética de secado de la película y el control de espesor de la película son aplicables a procesos de mayor escala, haciendo de este estudio directamente relacionado con fa industriaengrase. Además, una cantidad muy pequeña de material se utiliza en el experimento de revestimiento boquilla de ranura mini, haciendo de esta transformación aplicables a los nuevos materiales sintéticos. En el diseño, este mini-ranura de la matriz revestidor puede montarse en las estaciones finales de sincrotrón, y el pastoreo así la incidencia de pequeña dispersión de ángulo de rayos X (GISAXS) y difracción de rayos X (GIXD) se puede utilizar para permitir los estudios en tiempo real sobre la evolución de la morfología en un amplio intervalo de escalas de longitud en diferentes etapas del proceso de secado la película bajo un rango de condiciones de procesamiento. La información obtenida en estos estudios se puede transferir directamente a un entorno de fabricación industrial. La pequeña cantidad de materiales utilizados permite una selección rápida de un gran número de materiales foto-activa y sus mezclas en diversas condiciones de procesamiento.
El dicetopirrolopirrol semicristalino y quaterthiophene (DPPBT) basada en un polímero conjugado banda baja se utiliza como material de modelo de donante, y (6,6) -fenil-C71 butyric éster metílico del ácido (PC 71 BM) se utiliza como aceptor electrónico. 18, 19 se muestra en los estudios anteriores que DPPBT: PC 71 BM mezclas formar grandes separación de fases tamaño cuando se utiliza cloroformo como el disolvente. A cloroformo: 1,2-diclorobenceno mezcla de disolventes puede reducir el tamaño de la separación de fases y aumentar el rendimiento del dispositivo así. La formación morfología durante el proceso de secado disolvente se investigó in situ por el pastoreo de difracción incidencia de rayos X y dispersión. Dispositivos de células solares fabricados utilizando el troquel recubridor de mini-ranura mostró un PCE promedio de 5,2% usando las mejores condiciones de mezcla de disolventes, 20 que es similar a los efectos de recubrimiento de dispositivos fabricados. El revestidor de troquel mini-ranura se abre una nueva ruta para fabricar dispositivos de células solares en un laboratorio de investigación que imita un proceso industrial, llenando un vacío en la predicción de la viabilidad de estos materiales en una forma industrial relEvant entorno.
Protocol
Representative Results
Discussion
El método descrito aquí se centra en el desarrollo de un método de preparación de la película que se puede escalar fácilmente hasta en la producción industrial. impresión de película delgada y caracterización morfología sincrotrón son los pasos más críticos con el protocolo. En investigaciones anteriores de laboratorio OPV reducido, recubrimiento por rotación se utiliza como el método dominante para la fabricación de dispositivos de película delgada. Sin embargo, este proceso utiliza una alta fuerza ce…
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).
