JoVE Journal > Chemistry
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
русский

Automatically Generated
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Chemistry

In situ Выпаса Заболеваемость Малый угол рентгеновского рассеяния на Roll-To-Roll Покрытие органических солнечных элементов с лабораторными рентгеновскими приборами

Published: March 02, 2021
doi:
10.3791/61374
, , , , ,
1Department of Energy Conversion and Storage,Technical University of Denmark

Summary

Эта статья является демонстрацией и руководящим принципом для выполнения и анализа в доме (с лабораторным рентгеновским прибором) на месте GISAXS эксперименты сушки чернил на рулон-к-ролл слот-умереть покрытием, не-фуллерен органических фотоэлектрических.

Abstract

Мы представляем в доме, на месте выпаса заболеваемости Малый угол рентгеновского рассеяния (GISAXS) эксперимент, разработанный для зондирования сушки кинетики рулон-к-ролл слот-умереть покрытие активного слоя в органических фотоэлектрических (OPVs), во время осаждения. Для этой демонстрации, акцент делается на сочетание P3HT:O-IDTBR и P3HT:EH-IDTBR, которые имеют различные сушки кинетики и производительности устройства, несмотря на их химическую структуру лишь незначительно меняются по боковой цепи небольшой молекулы приемора. Эта статья предоставляет пошаговое руководство для выполнения эксперимента in situ GISAXS и демонстрирует, как анализировать и интерпретировать результаты. Как правило, выполнение этого типа на месте рентгеновских экспериментов для исследования сушки кинетики активного слоя в OPVs опирается на доступ к синхротронам. Однако, используя и развивая метод, описанный в настоящем документе, можно проводить эксперименты с грубым временным и пространственным разрешением, на ежедневной основе, чтобы получить фундаментальное понимание в морфологии сушки чернил.

Introduction

Органические фотоэлектрические (OPV) представляет собой одну из наиболее перспективных новых технологий солнечных батарей. OPVs может позволить крупномасштабное производство экономически эффективного возобновляемого источника энергии на основе нетоксических материалов с замечательными короткими сроками окупаемостиэнергии 1. Фотоактивная часть ОПВ представляет собой примерно 300-400 нм толщиной слой проводящих полимеров и молекул, которые могут быть напечатаны со скоростью несколько метров в минуту рулон-ролла технологиипокрытия 1. Эта технология тонкой пленки является гибкой, красочной и легкой, которая открывает пути для новых рынков солнечной энергии, таких как Интернет вещей, интеграции зданий, декоративных установок и быстрой установки / удаленияв очень больших масштабах 2,3,4,5. Кроме того, ОПВ состоят исключительно из обильных и нетоксических элементов, которые делают их дешевыми в производстве и переработке. Таким образом, эта технология получает все большее внимание со стороны промышленности и научных кругов. Огромные усилия были предприняты для оптимизации каждого слоя в полный стек, который представляетсобойорганические солнечные батареи, и много теоретических и экспериментальных исследований было сделано, чтобы понять основные физики OPVs 6,7,8. Огромный интерес к технологии подтолкнул поле к своему нынешнему государству, где чемпион устройств, изготовленных в лабораториях превышают 18% эффективности9. Однако расширение производства (т.е. переход от спин-покрытия на жестких субстратах к масштабируемому осаждению на гибких субстратах) сопровождается значительными потерямив эффективности 10. Таким образом, преодоление этого разрыва имеет первостепенное значение для opVs, чтобы стать конкурентоспособными с другими коммерчески доступными тонкой пленкой солнечных батарей технологий.

OPV — это технология тонкой пленки, состоящая из нескольких функциональных слоев. В этой демонстрации основное внимание уделяется исключительно фотоактивного слоя. Этот слой особенно важен, так как именно здесь поглощаются фотоны и генерируется фототок. Как правило, фотоактивный слой состоит по крайней мере из двух составляющих, а именно донора и принимаетеля. Здесь основное внимание уделяется донорского полимера P3HT в сочетании с O-IDTBR или EH:IDTBR вкачестве принимаетеля 11, с химическими формулами, как показано на рисунке 1. Оптимальная конструкция фотоактивного слоя описывается как объемная гетероджунция (BHJ), где соединения перемешиваются по всему устройству, как показано на рисунке 2. BHJ получается слот-умереть покрытие чернил, состоящий из донора и приемника в растворе10. При покрытии мокрых чернил на субстрат молекулы растворителя испаряются, что оставляет донора и принимаетеля в смешанном состоянии. Распределение донора/приемного в отношении разделения фаз, ориентации, порядка и распределения размеров обычно называют морфологией BHJ. Морфология активного слоя играет значительную роль в производительности солнечных батарей в связи с характеромрабочего принципа 4,12. Принцип работы проиллюстрирован на рисунке 2 и может быть описан в четыре этапа: во-первых, входящий фотон поглощается и возбуждает электрон от самой высокой оккупированной молекулярной орбиты (HOMO) до самой низкой незанятой молекулярной орбиты (LUMO). Отверстие (вакантное состояние в HOMO) и возбужденный электрон связаны друг с другом. Эта связанная электрон-дыра-пара называется экситоном. Во-вторых, exciton свободно перемещаться, и приблизительный средний свободный путь до рекомбинации составляет 20 нм6. В-третьих, когда экситон находится рядом с интерфейсом между донором и принимаеттелем, он энергетически благоприятный для разобщения в свободный электрон в LUMO принимаетеля и свободное отверстие в HOMO донора. В-четвертых, если устройство подключено к цепи, заряды будут таким образом транспортироваться в анод и катод. Чтобы улучшить функциональность OPV, морфология должна быть оптимизирована с учетом каждого из четырех шагов, чтобы гарантировать, что BHJ поглощает как можно больше входящих фотонов и генерирует как можно больше движущихся зарядов. Остается большой научный вопрос оптимальной морфологии.

Это по-прежнему остается открытым вопросом, и процедура оптимизации морфологии для конкретного сочетания донора и принимаетеля до сих пор делается путем проб и ошибок. Оптимальные условия покрытия для смеси P3HT:O-IDTBR и P3HT:EH-IDTBR были зарегистрированы 13,14. Аналогичные экспериментальные параметры были использованы здесь для подготовки как P3HT:O-IDTBR и P3HT:EH-IDTBR рулон покрытием на гибком субстрате при 60 градусов по Цельсию, как описано Куан Лю идр. 15. ОпВ с рулонным покрытиемимеют перевернутую структуру 16 и были изготовлены на гибких субстратах без оксида олова индия (ITO-free), со структурой ПЭТ/Аг-сетки/PEDOT:PSS/znO/P3HT:O-IDTBR или EH-IDTBR/PEDOT:PSS/Ag-grid, где свет поступает через СУБстрат ПЭТ. PEDOT:PSS является аббревиатурой для поли (3,4-этилендиокситиофен) полистирол сульфонат и ПЭТ поли (этилен терефталат). После изготовления, окончательный стек разрезает на небольшие солнечные батареи с фотоактивной площадью 1см 2.

Стандартные средства для характеристики производительности солнечных элементов включают измерение текущей плотности по сравнению с кривыми напряжения (J-V) и внешней квантовой эффективности (ЭКЭ) спектра. Как для P3HT:O-IDTBR, так и для P3HT:EH-IDTBRрезультаты показаны на рисунке 3 и таблице 1. Низкий 2,2% PCE солнечной батареи P3HT:EH-IDTBR объясняется его нижним течением короткого замыкания (JSC),который частично ограничен сопротивлением серии (Rs) 9,0 Ω см2 по сравнению с P3HT:O-IDTBR 7,7 Ωсм 2. Напряжение открытого контура (VOC), аналогично в обоих устройствах(таблица 1), что отражает электронное сходство двух приемников. Фотоэлектрические полосы разрыв P3HT:O-IDTBR и P3HT:EH-IDTBR солнечных элементов 1,60 eV и 1,72 eV, соответственно, в согласии с оптическими свойствами наблюдается красное смещение в ЭКВАЛАЙЗЕР показано на рисунке 3 и сообщил Энрике P. S. J.и др. 13. Как правило, красное смещение связано с более кристаллической структурой, поэтому ожидается, что O-IDTBR обладает более высокой степенью кристаллизации, чем EH-IDTBR для конкретных условий покрытия. Улучшенный JSC солнечной батареи P3HT:O-IDTBR отчасти объясняется более широким спектральным поглощением и улучшением обработки устройства. Интегрированные токи эквалайзера для устройств на базе EH-IDTBR и O-IDTBR имеют 5,5 и 8,0 мА/см2 под 1 солнечным освещением, как показано на рисунке 3. Из профилей ЭКВАЛАЙЗЕР видно, что соотношение масс 1:1 близко к идеальному для P3HT:O-IDTBR, но не является оптимальным для P3HT:EH-IDTBR. Различия в производительности устройства частично можно объяснить наличием пинхолов в фильме P3HT:EH-IDTBR, в то время как P3HT:O-IDTBR выглядит гладким, как показано на рисунке 4. Пинхолы в материальной системе P3HT:EH-IDTBR покрываются последующим слоем PEDOT:PSS во время изготовления солнечных батарей, предотвращая короткое замыкание устройств. Кроме того, боковые цепи приемов, соответственно, линейны и разветвлены, что приводит к тому, что их слуговость отличается, и, таким образом, их сушка кинетики. Можно использовать мини-ролл-ролл пальто для зондирования сушки кинетики в то время как покрытие, которое имитирует те же условия покрытия солнечнойбатареи изготовления 17, как впервые продемонстрировано в 201518.

Здесь мы представляем применение улучшенного мини-ролл-к-ролл слот-умереть покрытие машины для выполнения на месте GISAXS экспериментов, для зондирования морфологии сушки чернил для OPVs с в доме рентгеновского источника. GISAXS является предпочтительным методом для зондирования размеров, формы и ориентации дистрибутивов в тонких пленках19. При проведении эксперимента GISAXS рассеянные рентгеновские лучи, которые зондируют образец, собираются на 2D-детекторе. Задача заключается в выборе правильной модели для получения желаемой информации из изучаемого образца. Поэтому для выбора подходящей модели необходима предварительная информация о структуре выборки. Такие знания можно получить с помощью атомной силовой микроскопии (AFM), электронной микроскопии передачи (TEM) или моделирования молекулярнойдинамики 7. Здесь мы познаем, почему и как применять рамки Teubner и Strey20 для моделирования данных, полученных из экспериментов in situ GISAXS для получения распределения размеров доменов внутри чернил для BHJs во время сушки. Есть два преимущества использования мини-ролл-ролл пальто. Во-первых, он имитирует крупномасштабное производство 1:1; таким образом, мы уверены, что производительность устройства и активный слой можно сравнить напрямую. Во-вторых, используя этот метод, мы способны иметь достаточно свежих чернил в луче, чтобы позволить на месте эксперимент с лабораторным рентгеновским источником. Методы выполнения и анализа морфологии тонких пленок с GISAXS стремительно развиваются втечение последнего десятилетия 18,21,22,23,24,25,26,27,28. Как правило, при выполнении на месте GISAXS эксперимент по зондированию сушки кинетики активного слоя в OPVs, синхротронисточник необходим 18,26,27. Синхротронное излучение в целом предпочтительнее, чем в доме рентгеновского источника для выполнения такого эксперимента, чтобы обеспечить лучшее разрешение времени и лучшую статистику. Тем не менее, синхротроны не доступны на ежедневной основе и не могут быть скорректированы в соответствии с производственной линией, поэтому в доме рентгеновский источник может служить полезным повседневным инструментом для оптимизации чернил формулировки, условия покрытия, и получить фундаментальное представление в физике сушки кинетики. Наиболее значительным недостатком использования домашнего рентгеновского источника является потребление материала. Поскольку поток рентгеновских лучей, по крайней мере, на пять порядков меньше, чем при синхротроне, для получения достаточной статистики требуется больше материала. Таким образом, этот метод пока не подходит для открытия нового материала, где доступно лишь небольшое количество материалов. Для материалов, которые являются дешевыми и легко синтезировать, что также является доминирующим фактором для масштабируемости29, этот метод будет выгодным по сравнению с использованием синхротронов в погоне за закрытием разрыва в эффективности для крупномасштабных рулон-к-ролл покрытием OPVs10,30.

Эта статья будет направлять читателя через выполнение на месте GISAXS экспериментов по зондированию сушки кинетики чернил, применимых для крупномасштабного производства OPVs. В качестве примера можно привести сокращение и анализ данных наряду с обсуждением различных моделей интерпретации данных.

Protocol

Этот протокол разделен на пять подразделов. Во-первых, представлена процедура подготовки чернил. Во-вторых, описана процедура подготовки и выполнения рулонного слот-покрытия. В-третьих, представлено пошаговое руководство для проведения эксперимента GISAXS на месте. В-четвертых, изложена процедура коррекции и анализа данных. Наконец, результаты сообщаются и обсуждаются. 1. Подготовка чернил для рулонного покрытия (День 1) Перед началом эксперимента внимательно прочитайте MSDS полимеров, молекул и растворителей. Поместите 90 мг O-IDTBR и 90 мг P3HT в флакон 10 мл. Растворите твердые тела P3HT:O-IDTBR в 4,5 мл дихлорбензола:бромоанисол (0.95:0.05) растворительной смеси. Окончательная концентрация чернил составляет 180 мг / 4,5 мл и 40 мг/мл. Поместите магнитный мешалка в раствор и немедленно запечатай флакон. Поместите запечатанный флакон на горячую пластину с магнитным ротатором. Установите вращение при 300 об/мин и горячую пластину при 60 градусов по Цельсию, и оставьте его помешивая в течение 12 часов. Повторите процедуру приготовления чернил для P3HT:EH-IDTBR. 2. Подготовка и выполнение рулон-к-ролл слот умереть покрытие (День 2) Выключите вращение и горячую тарелку. Снимите флаконы с горячей пластины по крайней мере за 1 час до ее использования, чтобы достичь комнатной температуры чернил при покрытии. Ветер 18 м ПЭТ субстрат фольги на кормушки рулон. Прикрепите свободный конец субстрата к рулону обветья, как показано на рисунке 5. Запустите двигатель для запуска фольги 0,2 м, чтобы затянуть субстрат. Установите первую горячую пластину установки рулона на нужную температуру (т.е. 60 градусов по Цельсию). Установите вторую горячую пластину при 80 градусов по Цельсию, чтобы убедиться, что пленка высушивается при ране на рулоне обветья. Подождите около 15 минут для температуры двух горячих пластин, чтобы стабилизироваться. Загрузите 2,2 мл чернил в шприц 3 мл. Намонтировать шприц в насосе. Прикрепите трубку от шприца к головке покрытия слот-умереть. Поместите головку покрытия близко к концу первой горячей пластины, регулируя горизонтальную стадию перевода, и поместите направляющий мениск примерно на 5 мм выше субстрата. Установите шприц-насос при следующих настройках покрытия: Скорость: 0,08 мл/мин, диаметр шприца: 12,7 мм. Управление толщиной активного слоя d путем корректировки скорости потока, f, и скорость перемещения субстрата, v, в соответствии с этой формулой:где w ширина пленки (определяется направляющий выступ мениска), и является плотность материалов в чернилах. В этом эксперименте мы используем v0,6 м/мин со скоростью потока f0,08 мл/мин, в результате чего пленка с сухой толщиной 425 нм. Критический шаг: Вручную нажмите чернила из шприца через шланг и остановите 1 см, прежде чем чернила достигнут головки покрытия. Запустите шприц-насос и подождите, пока капля промокнет всю ширину мениска-гида. Немедленно опустите головку покрытия, чтобы промокнуть подложку чернилами, а затем поднимите направляющий выступ мениска к положению покрытия на 2 мм выше субстрата. Запустите двигатель, который завершает субстрат и начать покрытие чернил. Чтобы остановить покрытие, остановите насос и остановите движущийся субстрат. Поднимите головку покрытия на безопасную высоту (около 20 мм над субстратом). Затем очистите голову и шланг тетрагидрофураном. 3. День 2: Эксперименты GISAXS на месте Описание рентгеновской установкиПРИМЕЧАНИЕ: Общая длина установки рентгеновского излучения Grazing Incidence Small Angle составляет 4,5 м и состоит из рентгеновского источника, фокусировки оптики, секции коллимации, стадии образца, трубки полета, остановки луча и детектора, как показано на рисунке 6. Рентгеновским источником является вращающийся анод из Ригаку. Для этого эксперимента используйте медный анод и установите условия эксплуатации до 36 кВ и 36 мА. Работа эксперимента в режиме тонкой фокусировки. Оптика состоит из 2D фокусировки многослойного монохроматора, который выравнивается для оптимизацииотражения излучения Copper K α с длиной волны 1.5418. Секция коллимации состоит из трех скважин, расположенных на глубине 45 см, 141 см и 207 см ниже по течению от рентгеновского источника соответственно. Диаметр пинхолов составляет 0,75 мм, 0,3 мм и 1,0 мм в диаметре, соответственно, с размером зонда около 1,0 мм в положении образца, что соответствует следу луча 286 мм под углом 0,2 мм. Луч имеет поток на выборке 5 х 106 фотонов с-1 и профиль, как показано на рисунке 7, левая панель. Убедитесь, что на этапе выборки имеется по крайней мере три управляемых двигателя для регулировки положения мини-ролл-ролла. Ниже по течению от стадии образца, установить 166 см эвакуированной трубки полета (менее 0,01 мбар) на стойке следуют Eiger 4M рентгеновский детектор31. Установите рулон пальто. Прикрепите мини-ролл-ролл пальто на гониометр. Намонтировать гониометр с рулон-ролл пальто на оптической скамейке в положении образца. Закрепите три моторных кабеля. Прикрепите этап гониометра к скамейке. Подойди к полетной трубке как можно ближе к мини-ролл-роллу. Критический шаг: Выравнивание положения образца. Пальто 10 см чернил и свернуть пленку в луч. Процедура выравнивания в три раза. Выровнять образец параллельно лучу. Это достигается путем итеративного процесса сканирования суммированной интенсивности прямого луча в качестве функции вертикального положения выборки и угла частоты. Выровнять образец под определенным углом заболеваемости, αi,вычислив угол от отраженного луча на детекторе со следующей формулой:  (1)где RB является отраженным положением луча, DB является прямым положением луча (оба измеряются в см), а SDD является расстоянием от образца до детектора, здесь 166 см. Оптимизируйте интенсивность отраженного луча путем сканирования высоты положения образца. Для этого эксперимента используйте угол частоты в 0,2 градуса. 2D данные для этой процедуры показаны на рисунке 7. Выбор угла заболеваемости Выберите угол заболеваемости, чтобы обеспечить проникновение в слои интереса. Здесь это будет угол заболеваемости 0,2 “.ПРИМЕЧАНИЕ: Для этого эксперимента, фильм, представляющий интерес состоит из растворителя, P3HT и IDTBR. Оба P3HT и O-IDTBR имеют более высокую плотность, чем растворитель, и, предположительно, имеет самый высокий критический угол для полного отражения. Критический угол P3HT и O-IDBTR может варьироваться в зависимости от их упаковки, в результате чего критический угол варьируется от 0,16 “- 0,19”, предполагая плотность твердых 1,1 – 1,35 г/см3. Таким образом, для обеспечения проникновения в основную часть пленки было выбрано 0,2 градуса. Для выполнения эксперимента GISAXS на другой примерной системы, оценить наиболее подходящий угол заболеваемости дляконкретного образца 28,59. Установите луч-стоп прямо перед детектором, который продлит срок службы детектора. Используйте круговую остановку луча для прямого луча и дополнительную тонкую прямоугольную остановку луча, чтобы заблокировать отраженный луч. Остановка луча должна блокировать прямой луч, но в то же время позволяют обнаруживать рассеяние под низкими углами рассеяния.ПРИМЕЧАНИЕ: Можно выполнить этот эксперимент без пучка-стоп, чтобы обеспечить постоянное отслеживание отраженного луча. Установите точечный всасывание. Поместите точечный всасывание, чтобы удалить все газы из испаряющихся растворителей. Закрепите точечный всасывание, чтобы обеспечить одинаковый поток воздуха в каждом эксперименте. Загрузите шприц с 2,2 мл чернил и поместите шприц в шприц насоса. Вручную нажмите чернила из шприца через шланг и остановите 1 см, прежде чем чернила достигнут головки покрытия. Установите расстояние от головы покрытия до рентгеновского луча. Поместите головку покрытия в положение 120 мм, смещенное из рентгеновского луча вдоль направления движения фольги, чтобы обеспечить время сушки 12 секунд (в течение 3 секунд времени сушки, поместите головку покрытия на 30 мм от рентгеновского луча), как показано на рисунке 8. Начните ролл-к-ролл слот-умереть покрытие. Поместите высоту мениска-гида на 5 мм выше субстрата. Запустите шприц-насос и подождите, пока капля промокнет всю ширину мениска-гида. Немедленно опустите головку покрытия, чтобы промокнуть субстрат чернилами, а затем поднимите направляющий мениска к положению покрытия на 2 мм выше субстрата. Запустите двигатель, который завершает субстрат и начать покрытие чернил. Начните записывать данные. Откройте рентгеновский затвор и начните записывать данные в течение 3000 секунд.ПРИМЕЧАНИЕ: Этот эксперимент был сделан с воздействием 3000 секунд, более надежный метод заключается в том, чтобы выполнить несколько коротких экспозиций, чтобы позволить гибкое временное биннинг данных. Мониторинг качества пленки с покрытием с помощью камеры. Ищите де-смачивания эффекты фильма на субстрат и мениска неразборчиво. При необходимости прекратите измерения и передело эксперимент. В конце эксперимента закройте рентгеновский затвор. Выключите рентгеновский луч удаленно. Остановите шприц-насос, поднимите головку покрытия и раскрутите фольгу. Для серии экспериментов повторите эту процедуру с другой настройкой. 4. Обработка данных ПРИМЕЧАНИЕ: Было проведено четыре эксперимента, и конкретные параметры можно найти в таблице 2. Один из экспериментов с P3HT:O-IDTBR был остановлен через 2732 секунды из-за ошибки насоса шприца; поэтому сигнал должен быть нормализован с учетом разницы во времени приобретения. Коррекция данных Во-первых, используйте маску, чтобы исправить для остановки луча и мертвыхпикселей 33. Следуйте с космическим фильтром лучей, разрабатываемых SAXSLAB, затем коррекцией плоского поля, коррекцией времени, фильтром для дополнительных пиков рассеяния, возникающих из поликристаллического алюминия, которые хорошо видны в двух наборах данных, показанных на рисунке 9, левойпанели. От реального к взаимному пространству Преобразование 2D-данных из реального пространства в взаимный вектор пространства qx,y,z в единицах No-1 с помощью этой формулы:  (2)Здесь, αя угол частоты по отношению к нормальной поверхности, αf является выход / окончательный угол на детекторе (вертикальный на детекторе), 2θf является выход / окончательный угол в плоскости (горизонтальный на детекторе), и это длина волны луча инцидента. Предположим, длина волны, которая будет сохранена, также известный как упругоерассеяние 34. Горизонтальная интеграция линии на линии Yoneda Определите x и y координируйте для центра луча, соответственно, образец к расстоянию детектора (SDD 1.66 m), длина волны рентгеновских лучей (1.5418 q), и размер пикселя в каждом направлении (75 x 75 qm2). Рассчитайте ожидаемое положение линии Yoneda с критического угла исследуемогообразца 28,34,35,36. Извлечение интенсивности рассеяния в качестве функции рассеяния вектор qxy, с помощью сценария MatLab или с помощью специального программного обеспечения, таких как DPDAK или Xi-Cam38,39. Выполните интеграцию горизонтальной линии вдоль линии Yoneda, как указано на рисунке 9, с шириной 50 пикселей с каждой стороны, чтобы обеспечить удовлетворяющее соотношение сигнала к шуму. Биннинг горизонтальной интеграции Чтобы избежать перенапись (см. рисунок 9, праваяпанель) и увеличить соотношение сигнала к шуму для больших векторов рассеяния qxy, бин данных logarithmically40. Не бин точки данных до qxy 0,5 х 10-3. В этом нет необходимости из-за высокой интенсивности и взаимного расстояния в q-пространстве,что гарантирует отсутствие избыточных точек данных. От qxy 0.5 x 10-3и выше, разделите qxy-axisна 135 одинаково размечутых бункеров по логаритмической шкале, таким образом, что первый бен в qxy 0,53 x 10-3- это среднее среднее количество двух точек данных, а окончательная точка binned на qxy 0,3 “является средним 24 точками. Применение модели Теубнер-Стрей Примените три вклада Teubner-Strey для описания данных. В первых двух взносах описывается контраст между донором/приемником и последним вкладом описывается контраст между более крупными агрегатами материалов, окруженных растворителем. Математическое выражение интенсивности рассеяния заключается в следующем:  (3)где β является постоянным фоном, параметры 1,я ,c1, я,c 2, я определены с точки зрения размера домена, гя, и корреляция длины ξя, следующим образом: (4)Из уравнений (4), размер домена и длина корреляции могут быть выражены следующим образом:  (5)И  (6)где d1, ξ1,d2 и ξ2 являются параметрами фаз донора/приемора, а d3 и ξ3 являются параметрами для агрегированных/растворителей фаз. Приталеные модели показаны на рисунке 10. Результаты четырех припадков, основанные на описанной модели Teubner-Strey, находятся в таблице 3.

Representative Results

Прежде всего, в настоящем документе описывается метод и протокол для выполнения успешного рулона к рулону на месте в доме GISAXS эксперимент по зондированию сушки тонких пленок. Основываясь на примерке, можно сделать вывод, что модель Teubner-Strey успешно описывает данные для P3HT:EH-IDTBR и P3HT:O-IDTBR как за 12, так и за 3 секунды сушки, как показано на рисунке 10. Характерные весы длины, основанные на модели Teubner-Strey, можно найти в таблице 3 с соответствующей неопределенностью в таблице 4. Для всех четырех подходит, размер домена и длина корреляции для самого высокого qxy, d1 и ξ1, близки к тому же значению, варьирующихся от 12,0 ± 1,7 нм до 12,5 ± 2,2 нм и от 3,9 ± 0,4 нм до 5,0 ± 0,4 м. Эти два характерных размера и длины похожи на значения, о которые сообщается в литературе для сухой пленки объемных гетероджукций P3HT:IDTBR и P3HT:PCBM41,42. Для больших структур, d3 и ξ3, есть явная тенденция к структурам, чтобы стать больше, как она высыхает. Для P3HT:EH-IDTBR он увеличивается с 225 ± 10,3 нм до 562 ± 11,1 нм, а для P3HT:O-IDTBR он увеличивается с 241 ± 4,1 нм до 489 ± 9,2 нм. Длина корреляции, d2 ,найденыдо 30 ± 12 нм и 34 ± 3,5 нм для P3HT:O-IDTBR и 41 ± 14 нм для обоих экспериментов P3HT:EH-IDTBR. Примечательно, что d2 более выражен после 3 секунд сушки, чем после 12 секунд сушки для P3HT:O. IDTBR в отличие от P3HT:EH-IDTBR, где d2 более выражен после 12 секунд сушки, чем после 3 секунд сушки. Ли d2 растворяется, чтобы внести свой вклад в сигнал, полученный в d1 или кластера внести свой вклад в d3 не определяется в этом эксперименте. Основываясь на формализме Teubner-Strey20, характерные параметры для1,я, c1,я, c2,я указываю, что малые весы длины, 1,1, c1,1 , c2,1,1,2, c1,2, c2,2, характерны для ранней стадии разложения спинодалов, где две фазыперемешаны 43. Это согласовывания с общим пониманием морфологии смешения доноров/приемокторов. Большие весы длины,1,3, c1,3, c2,3, характерны для микроэмульсий 20, что вызвано контрастом (разница плотности электронов) между агрегатами материала и растворителя. Из этого эксперимента невозможно определить, вызваны ли эти характерные параметры d3 разницей плотности электронов между P3HT:O-IDTBR/Solvent, O-IDTBR/Solvent или P3HT/Solvent. Для того чтобы приспосабливать модель к рентгеновскому снимку, рассеяние данных является неотъемлемой обратной проблемой. Таким образом, несколько моделей могут быть применены для описания данных рассеяния. Для этого анализа, формулировка Teubner и Strey20,44 был применен, чтобы соответствовать данным. Рамки возникают из расширения параметра порядка свободной энергии Ландау для описания интенсивности рассеяния из двухф фазах систем. Интерпретация модели является абстрактной геометрической структурой двухф фазаной системы с характерным размером домена и длиной корреляции, как известно из статистической механики45. Существует много сложных моделей, которые могут предсказать 2D данные из экспериментов GISAXS, и удобныепрограммы 34,46, чтобы смоделировать это. Как правило, данные GISAXS от BHJ моделируется с искаженной волной Родился приближение (DWBA) с очень высокойточностью 27,40,47,48. Тем не менее, основным недостатком является то, что смоделированная структура не соответствует сложности, ожидаемой в BHJ. Более простой подход заключается в ограничении анализа направлением qxy. Когда рассматриваются только 1D горизонтальные разрезы линии в qxy, справедливо предположить, что основной вклад в рассеяние возникает из боковой структуры, присутствуют в фильме. Предполагая, что это может быть показано, что импульс передачи извлечены из горизонтальной линии сокращений соответствует передаче SAXS49,50, откуда Teubner-Strey являетсяпроизводным 20 и, следовательно, действительны для анализа, представленного здесь. Эта модель выбрана по трем причинам: во-первых, модель является аналитическим выражением, которое, как было доказано, соответствует различным двух фазам систем, включая BHJ20,26,51, и она может быть использована для очень быстрой установки алгоритмов, которые применимы для крупномасштабного контроля качества и для измерений на месте. Во-вторых, к лучшему из наших знаний, эта модель в согласии с морфологией наблюдается для P3HT:O-IDTBR путем передачи электронной микроскопии (TEM)52 и атомной микроскопии силы (AFM)42. В-третьих, это простая модель, т.е. она охватывает небольшое пространство параметров. Кроме того, в этой статье документы, что зондирование сушки кинетики не-фуллерен органических солнечных элементов с в доме рентгеновского источника возможно. Кроме того, этот метод может служить инструментом для ускорения исследований в крупномасштабных ОПГ с покрытием. Рисунок 1: Химическая структура P3HT, O-IDTBR и EH-IDTBR. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры. Рисунок 2: (Слева) Рабочий принцип навалом гетероджукции органических солнечных батарей. Солнечный свет создает экситон, который при разделении позволяет отверстию и электрону рассеиваться в катод и анод, соответственно. (справа) Энергетическая диаграмма уровней HOMO и LUMO донора и принимаетеля. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры. Рисунок 3: (Слева) СП-кривые для рулонного слота умирают покрытием на гибком субстрате P3HT:O-IDTBR и P3HT:EH-IDTBR, что соответствует наиболее эффективных устройств, показанных в таблице 1. (справа) Кривые эквалайзера рулонного слота умирают, покрытые гибким субстратом P3HT:O-IDTBR и P3HT:EH-IDTBR. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры. Рисунок 4: Изображения двух чернил, рулон покрытием на ПЭТ субстрат. Вверху находится P3HT:EH-IDTBR, а внизу P3HT:O-IDTBR. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры. Рисунок 5: (Слева) Изображение мини-ролл-ролл пальто. 1. a) 1.b) указывают на центр вращения фидер фольги и приемника, соответственно. Двигатель находится на задней стороне рулона к рулону пальто и является stepper двигателя. 2) Этапы перевода для головки покрытия, которая может двигаться во всех трех направлениях, вдоль фольги, вверх и вниз, и наружу и внутрь. 3) Слот умереть покрытие головы, где шланг с чернилами могут быть закреплены. 4) Две горячие пластины, указанные двумя стрелками, которые будут нагревать движущийся субстрат до нужной температуры. В этом эксперименте, он был установлен на 60 градусов по Цельсию. Все детали управляются удаленно. (справа) Ролл-ролл пальто, установленное на настройке GISAXS. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры. Рисунок 6: Экспериментальная настройка для выпаса заболеваемости малый угол рентгеновского рассеяния. 1) Рентгеновский источник является вращающимся анодом, сделанным Ригаку. Вращающийся анод из меди эксплуатировался на 36 кВ 36 мА. 2) Раздел оптики, где Cu Kα характерная флуоресценция от вращающегося диффракта аноды от одного зеркала отказов multilayer, которое делает луч монохромным на длине волны: No1.5418 З. 3) Станция Attenuator, которая не была применена для этого эксперимента. 4) Секция коллимации, состоящая из трех пинхолов друг за другом, как указано тремя стрелками. Диаметр отверстий штыря составляет 0,75 мм, 0,3 мм и 1,0 мм соответственно. 5) Мини-ролл-ролл пальто положение прилагается к вертикальной оси перемещения и гониометр для контроля угла заболеваемости. 6) Полет трубки в вакууме. 7) Детектор Эйгера 4М. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры. Рисунок 7: Три шага в процедуре выравнивания, иллюстрированные как необработанные данные Eiger 4M. (слева) Во-первых, убедитесь, что нет ничего, блокирующего прямой луч. В этом примере остановка луча расположена слева и под прямым лучом. (Средний) Сканирование образца вдоль вертикальной оси и поместите его там, где половина прямого луча блокируется образцом. Затем поверните образец, чтобы постепенно изменить угол частоты и поместите образец, где интенсивность прямого луча является самой высокой. Эта процедура должна быть сделана 3-5 раз, чтобы убедиться, что образец полностью параллельно с лучом. (справа) Поверните образец до четкого отражения на детекторе. Из этих двух позиций можно рассчитать точный угол инцидента (см. текст). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры. Рисунок 8: Два этапа сушки видны под двумя разными углами. (Слева) является мокрой стадии, где пленка была сушки в течение 3 секунд, прежде чем зондировать. (Справа) является сухой стадии, где пленка была сушки в течение 12 секунд. Контраст был увеличен, чтобы визуализировать эффект сушки краев. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры. Рисунок 9: (Слева) 2D данные P3HT:O-IDTBR на 12 секунд сушки с 3000 секунд времени приобретения. Красный прямоугольник указывает, где была выполнена горизонтальная интеграция и интенсивные области, отмеченные как алюминиевые пики, происходят от нагревательной пластины. (справа) Горизонтальная интеграция из красного прямоугольника, где q-векторы алюминиевых пиков опущены из интеграции. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры. Рисунок 10: Интеграция горизонтальной линии для четырех экспериментов: P3HT:EH-IDTBR (черный) и P3HT:O-IDTBR (синий) зондируются на обоих 12 секунд (треугольники) и 3 секунды (квадраты) сушки вместе с Teubner-Strey подходит. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры. Время высыхания (ы) Измерение времени (ы) P3HT:O-IDTBR 3.0 2732 P3HT:O-IDTBR 12 3000 P3HT:EH-IDTBR 3.0 3000 P3HT:EH-IDTBR 12 3000 Таблица 1: Оптоэлектронные характеристики 1см 2 органических солнечных элементов на основе P3HT:O-IDTBR и P3HT:EH-IDTBR, показывающие эффективность преобразования мощности (PCE), плотность короткого замыкания тока (JSC), коэффициент заполнения (FF), и открытое напряжение замыкания (VOC), под освещением 100 мВт/см2. P3HT:EH-IDTBR Pce(%) JSC(mA/cm2) Ff(%) VOC(мВ) 1 2.20 5.32 59.43 0.70 2 1.81 4.53 56.97 0.70 3 1.97 4.83 57.55 0.71 4 2.17 5.10 60.00 0.71 5 2.18 5.28 58.49 0.71 Средняя 2.07 5.01 58.49 0.70 стоять девиец образца 0.15 0.30 1.13 0.00 P3HT:O-IDTBR 1 3.38 7.95 60.48 0.72 2 3.33 7.75 60.36 0.71 3 2.97 7.19 58.72 0.70 4 3.20 7.48 60.15 0.71 5 3.24 7.54 60.68 0.71 Средняя 3.22 7.58 60.08 0.71 стоять девиец образца 0.14 0.26 0.70 0.00 Таблица 2: Обзор данных. P3HT:O-IDTBR со временем сушки 3,0 с был остановлен после 2732 с из-за ошибки шприц насоса. Приспособленные значения d1 Нм ξ1 нм d2 Нм ξ2 нм d3 Нм ξ3 нм EH-IDTBR 12s 12.2 4.7 41 22 562 20 EH-IDTBR 3s 12.0 5.0 41 17 225 18 O-IDTBR 12s 12.4 4.8 34 32 489 16 O-IDTBR 3s 12.5 3.9 30 18 241 13 Таблица 3: Установленные значения из четырех экспериментов. Все единицы «нм». Ошибки d1 Нм ξ1 нм d2 Нм ξ2 нм d3 Нм ξ3 нм EH-IDTBR 12s 1.4 0.2 10 3.2 11.1 1.7 EH-IDTBR 3s 1.7 0.4 14 2.1 10.3 1.9 O-IDTBR 12s 2.1 0.3 3.5 2.7 9.2 1.5 O-IDTBR 3s 2.2 0.4 12.0 1.3 4.1 0.6 Таблица 4: Стандартные отклонения установленных значений от четырех экспериментов. Все единицы «нм».

Discussion

Угол заболеваемости очень важен для эксперимента GISAXS. Можно задаться вопросом, насколько стабильна пленка будет двигаться по отношению к углу частоты во время рулонного покрытия 18-метровой пленки на гибком субстрате. Для экспериментов, выполненных в этой демонстрации, мы не можем доказать стабильность движущийся субстрат, но предыдущие опубликованные данные, где используется старая версия установки, документстабильной пленки 18,21. Предыдущие синхротронные эксперименты, в которых использовался этот рулонный пальто, показали, что угол частоты не меняется более чем на ± 0,03 градуса, как оценивается положение отраженного луча как функция времени (с временным разрешением 0,1 с), что равно ± 12 пикселей от линии Yoneda для этого эксперимента, в то время как интеграция горизонтальной линии была сделана ± 50 пикселей. Согласно предположению, сделанному для этого анализа, это небольшое изменение угла заболеваемости не повлияет на анализ этой работы и поэтому может быть проигнорировано. В будущем, этот тип экспериментов должны быть выполнены без пучка-стоп и с непрерывным сбором данных, чтобы исследовать угол заболеваемости на протяжении всего эксперимента.

Известно, что конвекция воздуха над сушильной пленкой, относительное давление и относительная влажность влияют на сушку тонких пленок; таким образом, чтобы провести полностью воспроизводимый эксперимент, необходимо тщательно измерить эти параметры. Сравнение между четырьмя измерениями в настоящем документе является действительным в связи с тем, что они были покрыты в точно таких же условиях в тот же день.

Для проведения эксперимента по рулону на месте GISAXS необходимо выполнить несколько критериев для обеспечения успешного эксперимента. Различия в плотности электронов (контраст) между материалами должны быть достаточно высокими, чтобы иметь сигнал рассеяния. Руководящие принципы по этой теме были опубликованы J. Als-Nielsen et al.53.

Из-за низкого рентгеновского потока лабораторного источника по отношению к синхротрону для проведения таких экспериментов требуется гораздо больше материала. Таким образом, он не в полной мере применим к обнаружению материалов, но послужит инструментом оптимизации составов чернил, актуальных для ОПВ. Кроме того, из-за низкого потока, можно только выполнить грубые эксперименты в отношении временного разрешения сушки чернил. Во время таких экспериментов мы зондируем 18 метров активного слоя во время сушки. Мы ожидаем небольших вариаций в крупномасштабной морфологии на протяжении всего эксперимента, и поэтому мы зондируем среднее 18 метров пленки с покрытием. Это имитирует условия крупномасштабного изготовления. Для того чтобы изучить неоднородность в радиусе нескольких метров, необходимо синхротронное излучение.

Выполнение экспозиций 3000 секунд не является оптимальным экспериментальным дизайном. Более надежный метод заключается в том, чтобы выполнить несколько более коротких экспозиций, чтобы позволить гибкое временное биннинг данных для анализа крупномасштабных однородностей и зондировать угол заболеваемости во все времена.

К лучшему из наших знаний, это первая демонстрация выполнения на месте GISAXS на рулонное покрытие чернил для OPV на лабораторном рентгеновском источнике, хотя мы ранее продемонстрировали аналогичные эксперименты анализа кристаллического сигнала дифракции54,55. С помощью этой демонстрации и протокола, мы считаем, что будет легче применять и выполнять на месте GISAXS эксперименты для исследователей, студентов и инженеров-разработчиков. Это потенциально может ускорить научно-исследовательскую область просто потому, что доступ к такому оборудованию возможен на ежедневной основе. Кроме того, с помощью рулонного пальто можно сравнить производительность солнечных батарей со структурными свойствами, исследованными в этом эксперименте, 1:1.

Улучшения экспериментальной установки необходимы, чтобы использовать все преимущества наличия в доме рентгеновского источника. Помимо увеличения годного к использования рентгеновского потока для небольших лабораторных источников, первым шагом для улучшения этого эксперимента является избежание рассеяния пиков из алюминия, которые перенапивают данные, как показано на рисунке 9 (слева). Это может быть реализовано путем установки рентгеновского поглощающих держатель субстрата, который может выдерживать температуру до 150 градусов по Цельсию для надлежащего нагрева. Кроме того, щели охранника перед образцом улучшат качество данных. Эта демонстрация представляет интерес не только для исследований в сообществе органических солнечных батарей, но и в любой области, которая является исследование или оптимизация параметров покрытия для тонкой пленки технологий. Объединение этого метода с одновременным GIWAXS, где зондируются кристаллические структуры, еще больше увеличит количество научных областей, где в доме рулон к рулону рентгеновских экспериментов применимы.

Поскольку эти эксперименты на месте прощупывают влажные пленки, полезно, если растворитель не поглощает слишком большие фракции освещенного рентгеновского луча. В целом полимер:PCBM системы имеют большой контраст и в сочетании с растворителем, который не содержит хлора (который является сильным рентгеновским амортизатором) будет гарантировать большой контраст, таким образом, высокая интенсивность рассеяния. Для этого эксперимента контраст P3HT:IDTBR невелик и в сочетании с хлорированным растворителем интенсивность рассеяния низка. Эти материалы не являются идеальными для такого эксперимента, но очень интересны для солнечных элементов, поэтому этот метод должен быть дополнительно разработан для обеспечения того, чтобы системы с низким контрастом и высокой абсорбанс может быть исследован, а также. Выбор модели является наиболее определяющим фактором для проведения сравнительного анализа в нескольких экспериментах GISAXS. Для анализа, представленного в настоящем документе, были применены рамки Теубнера-Стрея для описания четырех наборов данных. Лучший способ выбрать модель – это обладать информацией ab initio о форме и размере исследуемого образца. Это может быть достигнуто с помощью изображений TEM, моделирования или микроскопических изображений. Обоснование нашего выбора модели указано в тексте, но следует отметить, что для описания таких данных GISAXS можно выбрать несколько моделей. Модель Teubner-Strey была первоначально разработана для передачи SAXS, но успешно смоделирует данные GIWAXS солнечных элементов BHJдо 51 года и теперь здесь. Дальнейшие усовершенствования включают адаптацию абстрактных геометрических моделей, известных из моделирования молекулярной динамики, и применение DWBA к модели 2D-данных. Альтернативные модели включают в себя: строгие геометрические объекты со степенью полидисперсного распределения размера,как описано и применено в 53, где DWBA необходимо моделировать 2D-данные, сочетание отражательной способности Френеля и гауссийских дистрибутивов, чтобы соответствовать упорядоченным системам в качестве коблоковых полимеров GISAXSсигналы 56, бисерныемодели в основном для биологических образцов 57, и фрактальной геометрии58,59.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Авторы хотели бы отметить двух техников, которые помогли восстановить и поддерживать инструмент, Кристиан Ларсен и Майк Wichmann. Кроме того, авторы хотели бы поблагодарить Роар Р. Сандергаард и Андерса Сковбо Герцена за плодотворные дискуссии. Это исследование было поддержано Европейским исследовательским советом (ERC) в рамках исследовательской и инновационной программы Европейского союза Horizon 2020 (грант КОНСОЛИДатора SEEWHI No. ERC-2015-CoG-681881).

Materials

Bromoanisole Sigma Aldrich 104-92-7 >99.0 %
Dichlorobenzene Sigma Aldrich 95-59-1 >99.0 %
EH-IDTBR 1-Material BL3144
Eiger X 4M DECTRIS
EQE PV Measurements
Flextrode Infinity PV Custom order 10 mm stripes
JV-Measurements Keithley + JV software 2000E + JV Software
Mini roll to roll coater Custom made Slot die coater on a rotating drum
O-IDTBR 1-Material DW4076P
P3HT 1-Material M1011 RR 97.6 %
PEDOT Sigma Aldrich 155090-83-8
PET Substrate AMCOR FLEXIABLES
Silver ink CCI EUROLAM DuPont 5025 Silver conductor
Syringe Braun Injekt
Syringe pump Syringe pump pro
Tubes Mikrolab Aarhus A/S
X-ray source Rigaku Rotating anode
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Krebs, F. C., Espinosa, N., Hösel, M., Søndergaard, R. R., Jørgensen, M. 25th Anniversary Article: Rise to Power – OPV-Based Solar Parks. Advanced Materials. 26 (1), 29-39 (2014).
  2. Søndergaard, R., Hösel, M., Angmo, D., Larsen-Olsen, T. T., Krebs, F. C. Roll-to-roll fabrication of polymer solar cells. Materials Today. 15 (1-2), 36-49 (2012).
  3. Lucera, L., et al. Guidelines for Closing the Efficiency Gap between Hero Solar Cells and Roll-To-Roll Printed Modules. Energy Technology. 3 (4), 373-384 (2015).
  4. Gu, X., et al. Roll-to-Roll Printed Large-Area All-Polymer Solar Cells with 5% Efficiency Based on a Low Crystallinity Conjugated Polymer Blend. Advanced Energy Materials. 7 (14), 1602742 (2017).
  5. Ding, Z., Stoichkov, V., Horie, M., Brousseau, E., Kettle, J. Spray coated silver nanowires as transparent electrodes in OPVs for Building Integrated Photovoltaics applications. Solar Energy Materials and Solar Cells. 157, 305-311 (2016).
  6. Few, S., Frost, J. M., Nelson, J. Models of charge pair generation in organic solar cells. Physical Chemistry Chemical Physics. 17 (4), 2311-2325 (2015).
  7. Alessandri, R., Uusitalo, J. J., De Vries, A. H., Havenith, R. W. A., Marrink, S. J. Bulk Heterojunction Morphologies with Atomistic Resolution from Coarse-Grain Solvent Evaporation Simulations. Journal of the American Chemical Society. 139 (10), 3697-3705 (2017).
  8. Mirsafaei, M., et al. The influence of electrical effects on device performance of organic solar cells with nano-structured electrodes. Scientific Reports. 7 (1), (2017).
  9. Liu, Q., et al. 18% Efficiency organic solar cells. Science Bulletin. , (2020).
  10. Gertsen, A. S., Castro, M. F., Søndergaard, R. R., Andreasen, J. W. Scalable fabrication of organic solar cells based on non-fullerene acceptors. Flexible and Printed Electronics. 5 (1), 014004 (2020).
  11. Holliday, S., et al. High-efficiency and air-stable P3HT-based polymer solar cells with a new non-fullerene acceptor. Nature Communications. 7, 1-11 (2016).
  12. Yan, C., Barlow, S., Jen, A. K. Y., Marder, S. Non-fullerene acceptors for organic solar cells High Energy Density Nanocomposites Based on Surface-Modified BaTiO3 and a Ferroelectric Polymer View project Organic Solar Cells View project. Nature Publishing Group. 3, 1-19 (2018).
  13. Pascual-San-José, E., et al. Blade coated P3HT:non-fullerene acceptor solar cells: a high-throughput parameter study with a focus on up-scalability. Journal of Materials Chemistry A. 7 (35), 20369-20382 (2019).
  14. Strohm, S., et al. P3HT: Non-fullerene acceptor based large area, semi-transparent PV modules with power conversion efficiencies of 5%, processed by industrially scalable methods. Energy and Environmental Science. 11 (8), 2225-2234 (2018).
  15. Liu, K., et al. Roll-coating fabrication of flexible organic solar cells: comparison of fullerene and fullerene-free systems. Journal of Materials Chemistry. C. (3), (2016).
  16. He, Z., et al. Enhanced power-conversion efficiency in polymer solar cells using an inverted device structure. Nature Photonics. 6 (9), 591-595 (2012).
  17. Andersen, T. R., et al. ambient atmosphere roll-to-roll manufacture of encapsulated large area, flexible organic tandem solar cell modules. Energy and Environmental Science. 7 (9), 2925-2933 (2014).
  18. Rossander, L. H., et al. In-line, roll-to-roll morphology analysis of organic solar cell active layers. Energy and Environmental Science. , 2411-2419 (2017).
  19. Müller-Buschbaum, P. A basic introduction to grazing incidence small-angle X-ray scattering. Lecture Notes in Physics. 776, 61-89 (2009).
  20. Teubner, M., Strey, R. Origin of the scattering peak in microemulsions. The Journal of Chemical Physics. 87 (5), 3195-3200 (1987).
  21. Böttiger, A. P. L., Jorgensen, M., Menzel, A., Krebs, F. C., Andreasen, J. W. High-throughput roll-to-roll X-ray characterization of polymer solar cell active layers. Journal of Materials Chemistry. 22 (42), 22501-22509 (2012).
  22. Herzog, G., et al. In situ grazing incidence small-angle X-ray scattering investigation of polystyrene nanoparticle spray deposition onto silicon. Langmuir. 29 (36), 11260-11266 (2013).
  23. Perlich, J., et al. Pattern formation of colloidal suspensions by dip-coating: An in situ grazing incidence X-ray scattering study. physica status solidi (RRL) – Rapid Research Letters. 6 (6), 253-255 (2012).
  24. Schwartzkopf, M., Roth, S. Investigating Polymer-Metal Interfaces by Grazing Incidence Small-Angle X-Ray Scattering from Gradients to Real-Time Studies. Nanomaterials. 6 (12), 239 (2016).
  25. Fan, Q., et al. High-Performance As-Cast Nonfullerene Polymer Solar Cells with Thicker Active Layer and Large Area Exceeding 11% Power Conversion Efficiency. Advanced Materials. 30 (6), 1-7 (2018).
  26. Liu, F., et al. Fast printing and in situ morphology observation of organic photovoltaics using slot-die coating. Advanced Materials. 27 (5), 886-891 (2015).
  27. Liu, F., et al. Printing Fabrication of Bulk Heterojunction Solar Cells and In Situ Morphology Characterization. Journal of Visualized Experiments. (119), 53710 (2017).
  28. Hexemer, A., Müller-Buschbaum, P. Advanced grazing-incidence techniques for modern soft-matter materials analysis. IUCrJ. 2 (1), 106-125 (2015).
  29. Carlé, J. E., Helgesen, M., Madsen, M. V., Bundgaard, E., Krebs, F. C. Upscaling from single cells to modules-fabrication of vacuum- and ITO-free polymer solar cells on flexible substrates with long lifetime. Journal of Materials Chemistry C. 2 (7), 1290-1297 (2014).
  30. Carlé, J. E., et al. Overcoming the Scaling Lag for Polymer Solar Cells. Joule. 1 (2), 274-289 (2017).
  31. Riekel, C., Burghammer, M., Davies, R., Gebhardt, R., Popov, D. Applications of Synchrotron Light to Scattering and Diffraction in Materials and Life Sciences. Lecture Notes in Physics. 776 (2009), 91-104 (2009).
  32. Pauw, B. R. Everything SAXS: Small-angle scattering pattern collection and correction. Journal of Physics Condensed Matter. 25 (38), 1-2 (2013).
  33. Babonneau, D. FitGISAXS: Software package for modelling and analysis of GISAXS data using IGOR Pro. Journal of Applied Crystallography. 43 (4), 929-936 (2010).
  34. Yoneda, Y. Anomalous surface reflection of X rays. Physical Review. 131 (5), 2010-2013 (1963).
  35. Schwartzkopf, M., Roth, S. V. Investigating polymer-metal interfaces by grazing incidence small-angle x-ray scattering from gradients to real-time studies. Nanomaterials. 6 (12), (2016).
  36. Liu, J., Yager, K. G. Unwarping GISAXS data. IUCrJ. 5, 737-752 (2018).
  37. Benecke, G., et al. A customizable software for fast reduction and analysis of large X-ray scattering data sets: Applications of the new DPDAK package to small-angle X-ray scattering and grazing-incidence small-angle X-ray scattering. Journal of Applied Crystallography. 47 (5), 1797-1803 (2014).
  38. Pandolfi, R. J., et al. Xi-cam: a versatile interface for data visualization and analysis. Journal of Synchrotron Radiation. 25 (4), 1261-1270 (2018).
  39. Pröller, S., et al. Following the Morphology Formation In Situ in Printed Active Layers for Organic Solar Cells. Advanced Energy Materials. 6 (1), 1501580 (2016).
  40. Pedersen, E. B. L., et al. Structure and crystallinity of water dispersible photoactive nanoparticles for organic solar cells. Journal of Materials Chemistry A. 3 (33), 17022-17031 (2015).
  41. Liang, Q., et al. Separating Crystallization Process of P3HT and O-IDTBR to Construct Highly Crystalline Interpenetrating Network with Optimized Vertical Phase Separation. Advanced Functional Materials. 29 (47), 1807591 (2019).
  42. Allen, S. M. Spinodal Decomposition. Encyclopedia of Materials: Science and Technology. , 8761-8764 (2001).
  43. Schubert, K. V., Strey, R., Kline, S. R., Kaler, E. W. Small angle neutron scattering near Lifshitz lines: Transition from weakly structured mixtures to microemulsions. The Journal of Chemical Physics. 101 (6), 5343-5355 (1994).
  44. Gould, H., Tobochnik, J. . Statistical and thermal physics : with computer applications. , (2010).
  45. Pospelov, G., et al. BornAgain: software for simulating and fitting grazing-incidence small-angle scattering. Journal of Applied Crystallography. 53, 262-276 (2020).
  46. Wienhold, K. S., et al. Effect of Solvent Additives on the Morphology and Device Performance of Printed Nonfullerene Acceptor Based Organic Solar Cells. ACS Applied Materials & Interfaces. 11 (45), 42313-42321 (2019).
  47. Pröller, S., et al. Electrophoresis Assisted Printing: A Method to Control the Morphology in Organic Thin Films. ACS Applied Materials and Interfaces. 12 (5), 5219-5225 (2020).
  48. Busch, P., Rauscher, M., Smilgies, D. M., Posselt, D., Papadakis, C. M. Grazing-incidence small-angle X-ray scattering from thin polymer films with lamellar structures – The scattering cross section in the distorted-wave Born approximation. Journal of Applied Crystallography. 39 (3), 433-442 (2006).
  49. Busch, P., Posselt, D., Smilgies, D. M., Rauscher, M., Papadakis, C. M. Inner structure of thin films of lamellar poly(styrene-b-butadiene) diblock copolymers as revealed by grazing-incidence small-angle scattering. Macromolecules. 40 (3), 630-640 (2007).
  50. Kozub, D. R., et al. Polymer Crystallization of Partially Miscible Polythiophene/Fullerene Mixtures Controls Morphology. Macromolecules. 44, 5722-5726 (2011).
  51. Köntges, W., et al. Visualizing morphological principles for efficient photocurrent generation in organic non-fullerene acceptor blends. Energy & Environmental Science. , 1259-1268 (2020).
  52. Als-Nielsen, J., McMorrow, D. . Elements of Modern X-ray Physics: Second Edition. Elements of Modern X-ray Physics: Second Edition. , (2011).
  53. Rossander, L. H., Zawacka, N. K., Dam, H. F., Krebs, F. C., Andreasen, J. W. In situ monitoring of structure formation in the active layer of polymer solar cells during roll-to-roll coating. AIP Advances. 4 (8), (2014).
  54. Zawacka, N. K., et al. The influence of additives on the morphology and stability of roll-to-roll processed polymer solar cells studied through ex situ and in situ X-ray scattering. Journal of Materials Chemistry A. 2 (43), 18644-18654 (2014).
  55. Renaud, G., Lazzari, R., Leroy, F. Probing surface and interface morphology with Grazing Incidence Small Angle X-Ray Scattering. Surface Science Reports. 64 (8), 255 (2009).
  56. Hajizadeh, N. R., Franke, D., Jeffries, C. M., Svergun, D. I. Consensus Bayesian assessment of protein molecular mass from solution X-ray scattering data. Scientific Reports. 8 (1), (2018).
  57. Bale, H. D., Schmidt, P. Small-Angle X-Ray-Scattering Investigation of Submicroscopic Porosity with Fractal Properties. Phys. Rev. Lett. 3 (6), (1984).
  58. Anitas, E. M., Slyamov, A. Structural Properties of Additive Nano/Microcellular Automata. Annalen der Physik. 530 (6), 1800004 (2018).

Tags

In Situ GISAXSRoll-to-roll CoatingOrganic Solar CellsPhotoactive LayerDonor-acceptorSlot Die CoatingPET SubstrateSyringe PumpMeniscus GuideFilm Thickness

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Korning Sørensen, M., Espindola Rodriguez, M., Castro, M. F., Nambi, A., Kuhn, L. T., Andreasen, J. W. In situ Grazing Incidence Small Angle X-ray Scattering on Roll-To-Roll Coating of Organic Solar Cells with Laboratory X-ray Instrumentation. J. Vis. Exp. (169), e61374, doi:10.3791/61374 (2021).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image