Summary

3D-печать камеру для органических оптоэлектронных устройств деградации тестирование

Published: August 10, 2018
doi:

Summary

Здесь мы представляем протокол для проектирования, производства и использования простой, универсальный 3D-печати и контролируемой атмосферы камеры для оптических и электрических характеристик воздуха чувствительных органических оптоэлектронных устройств.

Abstract

В этой рукописи, мы наметим производство небольшой, портативный, простой в использовании атмосферных камеры для органических и перовскит оптоэлектронных устройств, с помощью 3D-печати. Как эти типы устройств чувствительны к воздействию влаги и кислорода, такая камера может помочь исследователей в характеризующих свойства электронных и стабильности. Палата предназначен для использования в качестве временного, многоразовые и стабильной среды с контролируемых свойств (включая влажность, введение газа и температуры). Он может использоваться для защиты воздуха чувствительных материалов или подвергать их загрязнителей в контролируемым образом для исследования деградации. Характеризовать свойства камеры, мы приводим простой процедуры для определения скорости передачи водяного пара (СПВП) с помощью относительной влажности как измеряется датчиком стандартной влажности. Эта стандартная операционная процедура, с помощью плотность заполнения 50% полимолочной кислоты (НОАК), приводит к камере, который может использоваться для недель без значительной потери свойств устройства. Универсальность и простота использования камеры позволяет ему быть адаптированы к любой характеристика состояние, которое требует компактный контролируемой атмосферы.

Introduction

Органические и перовскит оптико-электронных приборов, солнечных батарей и светоизлучающие диоды на основе π-сопряженных полупроводниковые органических молекул и галогениды organometal являются быстро развивающейся области исследований. Органические светоизлучающие диоды (OLEDs) уже основных технологических элементов освещения и отображает1, и органических фотогальванических начали для достижения эффективности, которые делают их конкурентоспособными с аморфного кремния2. Последние быстрое развитие на основе перовскита устройств для поглощения света и светоизлучающих приложений3,,45 свидетельствует о том, что лоу кост, легко обрабатываемых устройства, вероятно, скоро найти широкое развертывание. Однако все эти технологии страдают от чувствительности атмосферных загрязнителей, особенно влаги и кислорода, что ограничивает их эффективной жизни6,,78,9.

Для исследователей, изучение таких систем может быть полезно иметь камеру адаптируемых, easy-to-use, портативные и многократного использования для защиты таких чувствительных материалов или подвергать их загрязнителей в контролируемым образом10,11. Хотя это можно использовать для описания воздуха чувствительных устройств бардачком, эти крупные, дорого и фиксированной местонахождение, инертных средах могут быть несовместимы с широкий спектр характеристик, которые могут потребоваться. Чтобы обеспечить портативный альтернативных, Риз и др. 10 предложил небольшую камеру металлических основанные на стандартный вакуумный фланец, подходит для электрических и оптических характеристик органических устройств. Мы адаптировали этот дизайн, что делает его дешевле и более универсальным, с помощью 3D-печати для производства компонентов, камеры. Использование 3D-печати, а не механической обработки, позволяет быстрое и экономичное внести изменения образца или экологических требований при сохранении утилита базовой конструкции. В этот вклад мы описать процедуру сделать такой камеры и использовать его для извлечения вольт амперных характеристик органических диод устройства.

Хорошая герметизация органических и перовскит устройства должны иметь WVTRs 10-3 – 10-6 г/м2/день для долгосрочных устройство стабильности12,13, обеспечить мало попадания воды в органических устройство даже в очень суровых условиях. Поскольку эта палата призвана быть контролируемой среде для тестирования целей, а не долгосрочного хранения или инкапсуляция метод, требования к эффективной палата не столь строго. Камеры должны быть в состоянии поддерживать свойства устройства в разумные сроки для выполнения характеристику экспериментов. Стандартная операционная процедура использования пла приводит в камеру, которая может использоваться для нескольких дней или даже недель со встроенным газа потоком, без значительной потери свойств устройства.

Изменение материалов, или даже форму и размер тела камеры может существенно повлиять на проникновения загрязняющих веществ из воздуха в камеру. Таким образом попадания влаги и кислорода должно тщательно контролироваться для каждой конструкции определить эффективность камеры. Мы, Кроме того для изготовления камеры, наброски простую процедуру для определения СПВП камеры, использование коммерчески доступных влажности Датчик, чтобы установить сроки для использования камеры для экспериментов.

Такой простой, но универсальный камеры для нескольких типов экспериментов позволяет выполняться. Они могут выступать в качестве инертной атмосфере сред за бардачком, подходит для электрических и оптических характеристик через порты электрические проходной и окна. Их мобильность позволяет им использовать стандартные электрические характеристики оборудования вне лаборатории, где они были изготовлены, который является полезным циклического испытания на надежность14 или получить Сертифицированный измерения устройства производительность15. Эти камеры также являются особенно полезными для изучения последствий введения загрязняющих веществ для контролируемых деградации тестов, с простыми изменениями. Использование 3D печати позволяет значительного и быстрого приспособляемость для изменения устройства макетов, размеры, или требования к тестированию.

Protocol

1 3D печати палата частей Примечание: Все Подготовка принтера, параметры программного обеспечения «срез» и печати параметры были характерных для принтера, указанных в Таблице материалов. Существует широкий спектр 3D принтеры, каждое с их собственным комплектом эт?…

Representative Results

Ток напряжение измерения: Эта камера предназначена для тестирования воздуха чувствительных диод устройства, например органической или перовскита солнечных батарей или светоизлучающих диодов. Она может выступать как многор?…

Discussion

Важнейшие шаги в воссоздании этот эксперимент включают печать камеры, чтобы избежать трещин, разрывов или бедных в заполнения характеристики, которые могут уменьшить СПВП, герметизации камеры для предотвращения любого проникновения влаги и кислорода, затянув зажим KF50 для достичь пол?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Авторы признают, Питер Jonosson и Лионе новых медиа центр для 3D-печати палат. Это исследование было поддержано 436100-2013 RGPIN, ER15-11-123, МакМастер Дин из инженерной студентов летних исследований награду и Undergraduate исследований возможностей программы.

Materials

ORION DELTA DESKTOP 3D PRINTER RTP SeeMeCNC 87999 Known in Report As: 3D Printer
1.75 mm PLA Filament SeeMeCNC 50241 Known in Report As: PLA
Somos® WaterShed XC 11122 chamber Somos printed at Custom Prototypes, Toronto. https://www.dsm.com/products/somos/en_US/products/offerings-somos-water-shed.html
Known in Report As: Water resistant polymer
CURA CURA https://ultimaker.com/en/products/cura-software
Known in Report As: slicing software
Soldering iron with 600° F tip Weller WTCPT
Xtralien X100 Source Measure Unit Ossila E561 Known in Report As: SMU
ZIF Test Board for Pixelated Anode Substrates Ossila E221 Known in Report As: Zero insetion force/ZIF Test Board;
BNC Cable
Generic USB A – B
Generic USB A – Micro
#12 O-Ring Source unkown
Known in Report As: o-ring
116 Butyl O-Ring Global Rubber Products 116 VI70 Bought in-store
Known in Report As: o-ring
Retaining ring McMaster NA 3D printed in-house
Bottom Chamber McMaster NA 3D printed in-house
Top Chamber McMaster NA 3D printed in-house
KF50 Cast Clamp (Aluminum) Kurt J. Lesker QF50-200-C
KF50 Centering Ring (Aluminum) Kurt J. Lesker QF50-200-BRB
Sn60/Pb40 Solder MG Chemicals 4895-2270
#4-40 x 3/16" machine screw Hardware store
#4-40 IntThrd Brass TaperSingleVane Insert For Thermoplastic Fastenal 11125984 Fastenal requires to be affiliated with company/university
Known in Report As: #4-40 brass tapered threaded insert
Varian Torr Seal Vacuum Equipment High Vacuum Epoxy Vacuum Products Canada Inc. Known in Report As: low-pressure epoxy
Smiths Interconnect/IDI Contact Probes HEADED RADIUS Mouser Electornics 818-S-100-D-3.5-G Known in Report As: pogo pin
Smiths Interconnect/IDI Contact Probes Receptacle Solder Cup Mouser Electornics 818-R-100-SC Known in Report As: solder cup
1/4" Teflon Tubing Hardware store
Teflon tape Hardware store
1/4" Tube x 1/8" Male NPT Nickel Plated Brass Push-to-Connect Connector Fastenal 442064 Not the same ones used for this study, but are fuctionally equivalent
Known in Report As: push-to-connect pneumatic connector
1/8" NPT Tap and T-wrench Hardware store
1/4" Tube Push-to-Connect Manually Operated Valves Fluidline 7910-56-00 Known in Report As: manually operated push-to-connect valves
Adafruit DHT22 Humidity Sensor (small) Digi-Key 385 Known in Report As: internal humidity sensor
Adafruit DHT22 Humidity Sensor (large) Digi-Key Known in Report As: external humidity sensor
Arduino Uno Arduino
Glovebox environment
10 kOhm Resistor
Oscilla Xtralien Scientific Python IDE Oscilla https://www.ossila.com/pages/xtralien-scientific-python
Known in Report As: Python IDE

References

  1. Tremblay, J. -. F. The rise of OLED displays. Chemical & Engineering News. 94 (28), 30-34 (2016).
  2. Kang, H., et al. Bulk-Heterojunction Organic Solar Cells: Five Core Technologies for Their Commercialization. Advanced Materials. 28 (36), 7821-7861 (2016).
  3. Jacoby, M. The future of low-cost solar cells. Chemical & Engineering News. 94 (18), 30-35 (2016).
  4. Veldhuis, S. A., et al. Perovskite Materials for Light-Emitting Diodes and Lasers. Advanced Materials. 28 (32), 6804-6834 (2016).
  5. Park, N. -. G. Perovskite solar cells: an emerging photovoltaic technology. Materials Today. 18 (2), 65-72 (2015).
  6. Turak, A. Interfacial degradation in organic optoelectronics. RSC Advances. 3 (18), 6188 (2013).
  7. Scholz, S., Kondakov, D., Lüssem, B., Leo, K. Degradation Mechanisms and Reactions in Organic Light-Emitting Devices. Chemical Reviews. 115 (16), 8449-8503 (2015).
  8. Jørgensen, M., Norrman, K., Gevorgyan, S. A., Tromholt, T., Andreasen, B., Krebs, F. C. Stability of Polymer Solar Cells. Advanced Materials. 24 (5), 580-612 (2012).
  9. Habisreutinger, S. N., McMeekin, D. P., Snaith, H. J., Nicholas, R. J. Research Update: Strategies for improving the stability of perovskite solar cells. APL Materials. 4 (9), 091503 (2016).
  10. Reese, M. O., Sigdel, A. K., Berry, J. J., Ginley, D. S., Shaheen, S. E. A simple miniature controlled-atmosphere chamber for optoelectronic characterizations. Solar Energy Materials and Solar Cells. 94 (7), 1254-1258 (2010).
  11. Gevorgyan, S. A., Jorgensen, M., Krebs, F. C. A setup for studying stability and degradation of polymer solar cells. Solar Energy Materials and Solar Cells. 92 (7), 736-745 (2008).
  12. Park, J. -. S. S., Chae, H., Chung, H. K., Lee, S. I. Thin film encapsulation for flexible AM-OLED: a review. Semiconductor Science and Technology. 26 (3), 034001 (2011).
  13. Ahmad, J., Bazaka, K., Anderson, L. J., White, R. D., Jacob, M. V. Materials and methods for encapsulation of OPV: A review. Renewable & Sustainable Energy Reviews. 27, 104-117 (2013).
  14. Gevorgyan, S. A., et al. Round robin performance testing of organic photovoltaic devices. Renewable Energy. 63, 376-387 (2014).
  15. Osterwald, C. R., Hammond, R., Zerlaut, G., D’Aiello, R. Photovoltaic module certification and laboratory accreditation criteria development. Solar Energy Materials and Solar Cells. 41, 629-636 (1996).
  16. Turak, A., et al. Systematic analysis of processing parameters on the ordering and performance of working poly(3-hexyl-thiophene):[6,6]-phenyl C(61)-butyric acid methyl ester solar cells. Journal of Renewable and Sustainable Energy. 2 (5), 53103 (2010).
  17. Qi, B., Wang, J. Fill factor in organic solar cells. Physical Chemistry Chemical Physics. 15 (23), 8972-8982 (2013).
  18. Lu, N., Li, L., Sun, P., Liu, M. Short-circuit current model of organic solar cells. Chemical Physics Letters. 614, 27-30 (2014).
  19. Qi, B., Wang, J. Open-circuit voltage in organic solar cells. Journal of Materials Chemistry. 22 (46), 24315-24325 (2012).
  20. Xue, J., Uchida, S., Rand, B. P., Forrest, S. R. 4.2% efficient organic photovoltaic cells with low series resistances. Applied Physics Letters. 84 (16), 3013-3015 (2004).
  21. Hauch, J. A., Schilinsky, P., Choulis, S. A., Rajoelson, S., Brabec, C. J. The impact of water vapor transmission rate on the lifetime of flexible polymer solar cells. Applied Physics Letters. 93 (10), 103306 (2008).
  22. Norrman, K., Madsen, M. V., Gevorgyan, S. A., Krebs, F. C. Degradation Patterns in Water and Oxygen of an Inverted Polymer Solar Cell. Journal of the American Chemical Society. 132 (47), 16883-16892 (2010).
  23. Dameron, A. A., Reese, M. O., Moriconie, T. J., Kempe, M. D. Understanding Moisture Ingress and Packaging Requirements for Photovoltaic Modules. Photovoltaics International. 5, 121-130 (2009).
  24. Standard Test Method for Water Vapor Transmission Rate of Sheet Materials Using Dynamic Relative Humidity Measurement. ASTM E398 – 13 Available from: https://www.astm.org/Standards/E398 (2013)
  25. Basha, R. K., Konno, K., Kani, H., Water Kimura, T. Water Vapor Transmission Rate of Biomass Based Film Materials. Engineering in Agriculture, Environment and Food. 4 (2), 37-42 (2011).
  26. Kim, N., et al. A correlation study between barrier film performance and shelf lifetime of encapsulated organic solar cells. Solar Energy Materials and Solar Cells. 101, 140-146 (2012).
  27. Reese, M. O., et al. Pathways for the degradation of organic photovoltaic P3HT: PCBM based devices. Solar Energy Materials and Solar Cells. 92 (7), 746-752 (2008).
  28. Kempe, M. D., Reese, M. O., Dameron, A. A. Evaluation of the sensitivity limits of water vapor transmission rate measurements using electrical calcium test. Review of Scientific Instruments. 84 (2), 025109 (2013).
  29. Reese, M. O., et al. Consensus stability testing protocols for organic photovoltaic materials and devices. Solar Energy Materials and Solar Cells. 95 (5), 1253-1267 (2011).
  30. . Current landscape of standardisation efforts in organic and printed electronics 2015 – a VAMAS review Available from: https://www.researchgate.net/publication/278035615_Current_landscape_of_standardisation_efforts_in_organic_and_printed_electronics_2015_-_a_VAMAS_review (2015)
check_url/56925?article_type=t

Play Video

Cite This Article
Mogus, E., Torres-Kulik, B., Gustin, C., Turak, A. A 3D-printed Chamber for Organic Optoelectronic Device Degradation Testing. J. Vis. Exp. (138), e56925, doi:10.3791/56925 (2018).

View Video