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

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

In situ Otlatma Insidans Küçük Açılı X-ışını Laboratuvar X-ışını Enstrümantasyon ile Organik Güneş Pillerinin Rulodan Ruloya Kaplama üzerine Saçılma

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

Summary

Bu makale, rulodan ruloya yuva kalıp kaplı, fullerene olmayan organik fotovoltaikler üzerindeki kurutma mürekkeplerinin yerinde CBSSAXS deneylerini yerinde (laboratuvar X-ışını cihazı ile) gerçekleştirmek ve analiz etmek için bir gösteri ve kılavuzdur.

Abstract

Organik fotovoltaiklerde (OPV’ ler) aktif tabakanın kurutma kinetiğini araştırmak için geliştirilen yerinde otlatma Insidans Küçük Açılı X-ışını Saçılma (GISAXS) deneyini sunuyoruz. Bu gösteri için, P3HT:O-IDTBR ve P3HT:EH-IDTBR, kimyasal yapılarına rağmen, sadece küçük molekül kabul edenin yan zincirine göre biraz değişen farklı kurutma kinetiğine ve cihaz performansına sahip. Bu makalede, yerinde bir GISAXS denemesi gerçekleştirmek için adım adım bir kılavuz sağlanır ve sonuçların nasıl çözümlenerek yorumlanacağı göstermektedir. Genellikle, OPV’lerdeki aktif katmanın kurutma kinetiğini araştırmak için bu tür yerinde X-ışını deneyleri yapmak senkrotronlara erişime dayanır. Bununla birlikte, bu makalede açıklanan yöntemi kullanarak ve daha da geliştirerek, kurutma mürekkeplerinin morfolojisi hakkında temel bir fikir edinmek için günlük olarak kaba bir zamansal ve mekansal çözünürlükle deneyler yapmak mümkündür.

Introduction

Organik fotovoltaikler (OPV’ler) en umut verici gelişmekte olan güneş pili teknolojilerinden birini temsil eder. OPV’ler, dikkat çekici kısa enerji geri ödeme süreleri1ile toksik olmayan malzemelere dayalı uygun maliyetli bir yenilenebilir enerji kaynağının büyük ölçekli üretimini sağlayabilir. OPV’lerdeki fotoaktif parça, rulodan ruloya kaplama teknikleri ile dakikada birkaç metre hızında basılabilen yaklaşık 300-400 nm kalınlığında iletken polimer ve molekül tabakasıdır1. Bu ince film teknolojisi esnek, renkli ve hafiftir, nesnelerin interneti, bina entegrasyonu, dekoratif kurulumlar ve çok büyük ölçekte hızlı kurulum / kaldırma gibi yeni güneş enerjisi pazarları için yollar açar2, 3,4,5. Ayrıca, OPV’ler sadece bol ve toksik olmayan elementlerden oluşur, bu da onları hem üretmek hem de geri dönüştürmek için ucuz hale getirir. Bu nedenle, bu teknoloji endüstri ve akademiden giderek daha fazla ilgi görüyor. Her katmanı organik güneş hücresini oluşturan tam yığında optimize etmek için muazzam çabalar sarf edilmiştir ve OPVs 6,7,8’inaltında kalan fiziği anlamak için birçok teorik ve deneysel araştırma yapılmıştır. Teknolojiye olan muazzam ilgi, alanı laboratuvarlarda üretilen şampiyon cihazların% 18 verimliliği aştığı mevcut durumuna itti9. Bununla birlikte, imalatın arttırılması (yani, sert substratlardaki spin kaplamadan esnek substratlarda ölçeklenebilir biriktirmeye geçme) verimlilikte önemli kayıplar eşlik eder10. Bu açığı kapatmak, OPV’lerin piyasada bulunan diğer ince film güneş pili teknolojileriyle rekabet edebilir hale gelmesi için çok önemlidir.

OPV, çeşitli fonksiyonel katmanlardan oluşan ince film teknolojisidir. Bu gösteride, odak sadece fotoaktif katmandadır. Bu katman özellikle önemlidir, çünkü fotonların emildiği ve fotocurrent’in üretildiği yer burasıdır. Tipik olarak, fotoaktif katman en az iki bileşenden oluşur, yani bir donör ve bir alıcı. Burada, O-IDTBR veya EH:IDTBR kabul eden11ile birlikte donör polimer P3HT üzerinde durulmaktadır , Şekil 1’degösterildiği gibi kimyasal formüllerle. Fotoaktif tabakanın en uygun tasarımı, Şekil 2’degösterildiği gibi, bileşiklerin cihaz boyunca karıştırıldığı toplu bir heterojunction (BHJ) olarak tanımlanır. BHJ, çözelti10’dadonör ve alıcıdan oluşan bir mürekkenin yuva-kalıp kaplaması ile elde edilir. Islak mürekkeyi substrata kaplarken, çözücü molekülleri buharlaşır ve bu da donör ve alıcıyı birbirine karışmış bir durumda bırakır. Faz ayrımı, oryantasyon, sıralama ve boyut dağılımı ile ilgili olarak donör/alıcının dağılımı genellikle BHJ’nin morfolojisi olarak adlandırılır. Aktif tabakanın morfolojisi, çalışma prensibinin doğası gereği güneş pili performansında önemli bir rol oynar4,12. Çalışma prensibi Şekil 2’de gösterilmiştir ve dört adımda açıklanabilir: İlk olarak, gelen bir foton emilir ve en yüksek işgal edilen moleküler yörüngeden (HOMO) en düşük boş moleküler yörüngeye (LUMO) kadar bir elektron heyecanlandırır. Delik (HOMO’da boş bir durum) ve heyecanlı elektron birbirine bağlanır. Bu bağlı elektron deliği çifti eksciton olarak adlandırılır. İkincisi, exciton hareket etmek ücretsizdir ve rekombinasyondan önce yaklaşık ortalama serbest yol 20 nm6‘ dır. Üçüncüsü, eksciton donör ve alıcı arasında bir arayüze yakın olduğunda, alıcının LUMO’sunda serbest bir elektrona ve donörün HOMO’sunda serbest bir deliğe ayrışmak enerjik olarak uygundur. Dördüncü olarak, cihaz bir devreye bağlıysa, şarjlar anot ve katota taşınacaktır. OPV’lerin işlevselliğini geliştirmek için morfoloji, BHJ’nin gelen fotonların mümkün olduğunca çoğunu emmesini ve mümkün olduğunca çok hareketli yük oluşturmasını sağlamak için dört adımın her birine uyacak şekilde optimize edilmelidir. Optimal morfolojinin büyük bilimsel sorusu devam ediyor.

Bu hala açık bir sorudur ve donör ve kabul edenin belirli bir kombinasyonu için morfolojiyi optimize etme prosedürü şimdiye kadar deneme yanılma yoluyla yapılır. P3HT:O-IDTBR ve P3HT:EH-IDTBR karışımı için optimum kaplama koşulları13,14bildirilmiştir. Benzer deneysel parametreler burada hem P3HT:O-IDTBR hem de P3HT:EH-IDTBR rulo kaplamasını Kuan Liu ve ark.15tarafından açıklandığı gibi 60 °C’de esnek bir substrat üzerine hazırlamak için kullanılmıştır. Rulo kaplı OPV’ler ters yapı16’ya sahiptir ve ışığın PET alt tabakasından girdiği PET/Ag-grid/PEDOT:PSS/ZnO/P3HT:O-IDTBR veya EH-IDTBR/PEDOT:PSS/Ag-grid yapısı ile indiyum kalay oksitsiz (ITO içermeyen) esnek yüzeyler üzerinde üretilmiştir. PEDOT:PSS poli (3,4-etilendioxythiophene) polistiren sülfonat ve PET poli (etilen tereftalat) için bir kısaltmadır. İmalat sonrası, son yığın 1 cm2fotoaktif alana sahip küçük güneş pillerine kesilir.

Güneş hücrelerinin performansını karakterize etmek için standart araçlar arasında akım yoğunluğu ve voltaj (J-V) eğrilerinin ve dış kuantum verimliliği (EQE) spektrumunun ölçülmesi yer almaktadır. Hem P3HT:O-IDTBR hem de P3HT:EH-IDTBRiçin sonuçlar Şekil 3 ve Tablo 1‘de gösterilmiştir. P3HT:EH-IDTBR güneş hücresinin düşük %2,2’lik PCE’si, 7,7 Ω·cm 2’lik P3HT:O-IDTBR’ye kıyasla9,0 Ω·cm 2 seri direnci (Rs) ile kısmensınırlı olan alt kısa devre akımından (JSC)kaynaklanmaktadır. Açık devre voltajı (VOC),her iki cihazda da benzerdir (Tablo 1), bu da iki kabul edenin elektronik benzerliğini yansıtır. P3HT:O-IDTBR ve P3HT:EH-IDTBR güneş pillerinin fotovoltaik bant boşluğu, Şekil 3’te gösterilen ve Enrique P. S. J. ve ark. 13 tarafından bildirilen EQE’deki redshift tarafından gözlemlenen optik özelliklere uygun olarak sırasıyla 1.60 eV ve1.72eV’dir. Genellikle, bir redshift daha kristal bir yapıdan kaynaklanmaktadır, bu nedenle O-IDTBR’nin belirli kaplama koşulları için EH-IDTBR’den daha yüksek bir kristalliğe sahip olması beklenir. P3HT:O-IDTBR güneş pilinin geliştirilmiş JSC’si kısmen daha geniş spektral emiciliği ve cihaz işleme iyileştirmeleri nedeniyledir. EH-IDTBR ve O-IDTBR tabanlı cihazlar için entegre EQE akımları Şekil 3’te gösterildiği gibi 1 güneş aydınlatması altında5,5 ve 8,0 mA/cm 2’dir. EQE profillerinden, 1:1 kütle oranının P3HT:O-IDTBR için ideale yakın olduğu, ancak P3HT:EH-IDTBRiçin ideal olmadığı görülebilir. Cihaz performansındaki farklılıklar kısmen P3HT:EH-IDTBR filmindeki iğne deliklerinin varlığı ile açıklanabilirken, P3HT:O-IDTBR Şekil 4‘te gösterildiği gibi pürüzsüz görünür. P3HT:EH-IDTBR malzeme sistemindeki iğne delikleri, güneş pili imalatı sırasında sonraki PEDOT:PSS katmanı tarafından kaplanır ve cihazların kısa devre yapmasını önler. Ayrıca, kabul edenlerin yan zincirleri sırasıyla doğrusal ve dallıdır, bu da çözünürlüklerinin farklı olmasına ve dolayısıyla kurutma kinetiklerine neden olur. İlk kez 201518’degösterildiği gibi, güneş pili imalatı17’ninaynı kaplama koşullarını taklit eden kaplama sırasında kurutma kinetiğini araştırmak için mini rulodan ruloya bir kaplama kullanabilirsiniz.

Burada, yerinde GISAXS deneyleri yapmak, OV’ler için kurutma mürekkeplerinin morfolojisini şirket içi bir X-ışını kaynağı ile araştırmak için geliştirilmiş bir mini rulodan ruloya yuva-kalıp kaplama makinesinin uygulanmasını sunuyoruz. GISAXS, ince filmlerdeki veya ince filmlerdeki boyut, şekil ve oryantasyon dağılımlarını araştırmak için tercih edilen yöntemdir19. BIR GISAXS deneyi yapılırken, numuneyi yoklayan dağınık X ışınları bir 2D dedektörde toplanır. İşin zor kısmı, çalışılan örnekten istenen bilgileri almak için doğru modeli seçmektir. Bu nedenle, uygun bir model seçmek için örnek yapı ile ilgili önceden bilgi gereklidir. Bu tür bilgiler atomik kuvvet mikroskopisi (AFM), iletim elektron mikroskopisi (TEM) veya moleküler dinamik simülasyonlarından elde edilebilir7. Burada, in situ GISAXS deneylerinden elde edilen verileri modellemek için Teubner ve Strey20 çerçevesinin neden ve nasıl uygulanacağını sunacağız. Mini rulo kaplama kullanmanın iki avantajı vardır. İlk olarak, büyük ölçekli üretimi taklit eder 1:1; bu nedenle, cihaz performansının ve aktif katmanın doğrudan karşılaştırılabileceğinden eminiz. İkincisi, bu yöntemi kullanarak, bir laboratuvar X-ışını kaynağı ile yerinde bir deneye izin vermek için ışında yeterli taze mürekkep bulundurma yeteneğine sahibiz. CBSAXS ile ince filmlerin morfolojisini gerçekleştirme ve analiz etme yöntemleri son on yılda hızla gelişmektedir18,21 ,22,23,24,25,26,27,28. Genellikle, OPV’lerde aktif katmanın kurutma kinetiğini araştırmak için yerinde bir GISAXS deneyi yaparken, bir senkrotron kaynağına ihtiyaç vardır18,26,27. Senkrotron radyasyonu genel olarak daha iyi zaman çözünürlüğü ve daha iyi istatistik sağlamak için böyle bir deneyi gerçekleştirmek için şirket içi bir X-ışını kaynağına tercih edilir. Bununla birlikte, senkrotronlar günlük olarak mevcut değildir ve bir üretim hattına uyacak şekilde ayarlanamaz, bu nedenle şirket içi bir X-ışını kaynağı mürekkep formülasyonlarını, kaplama koşullarını optimize etmek ve kurutma kinetiğinin fiziği hakkında temel bilgiler elde etmek için yararlı bir günlük araç olarak hizmet edebilir. Şirket içi röntgen kaynağı kullanmak için en önemli dezavantaj malzeme tüketimidir. X ışınlarının akışı bir senkrotrondan en az beş büyüklük sırası olduğundan, yeterli istatistik elde etmek için daha fazla malzemeye ihtiyaç vardır. Bu nedenle, bu teknik sadece az miktarda malzemenin erişilebilir olduğu yeni malzeme keşfi için henüz uygun değildir. Ölçeklenebilirlik için de baskın bir faktör olan ucuz ve sentezlenmesi kolay malzemeler için29, bu yöntem, büyük ölçekli rulodan ruloya kaplamalı TV’ler için verimlilik açığını kapatma arayışında senkrotronların kullanımına göre avantajlı olacaktır10,30.

Bu makale, büyük ölçekli OPV üretimi için geçerli olan mürekkeplerin kurutma kinetiğini araştırmak için yerinde GISAXS deneyleri gerçekleştirerek okuyucuya rehberlik edecektir. Verileri yorumlamak için çeşitli modellerin tartışılmasıyla birlikte veri azaltma ve analiz örneği sunulmaktadır.

Protocol

Bu protokol beş alt bölüme ayrılmıştır. İlk olarak, mürekkeplerin hazırlanması için bir prosedür sunulur. İkinci olarak, rulodan ruloya yuva kalıp kaplamasının hazırlanması ve gerçekleştirilmesi prosedürü açıklanmıştır. Üçüncü olarak, yerinde gisaxs deneyi yapmak için adım adım bir kılavuz sunulmaktadır. Dördüncü olarak, veri düzeltme ve çözümleme için bir yordam özetlenmiştir. Son olarak, sonuçlar raporlanır ve tartışılır. 1. Rulodan ruloya kaplama için mürekkeplerin hazırlanması (Gün 1) Bir deneye başlamadan önce polimerlerin, moleküllerin ve çözücülerin MSDS’lerini dikkatlice okuyun. 10 mL’lik bir şişeye 90 mg O-IDTBR ve 90 mg P3HT yerleştirin. P3HT:O-IDTBR katılarını 4,5 mL diklorobenzen:bromoanisole (0,95:0,05) çözücü karışımında çözün. Mirek son konsantrasyonu daha sonra 180 mg / 4.5 mL = 40 mg / mL’dir. Çözeltiye manyetik bir karıştırıcı yerleştirin ve şişeyi hemen kapatın. Mühürlü şişeyi manyetik bir rotatorlu sıcak bir tabağa yerleştirin. Dönüşü 300 rpm’ye ve sıcak plakayı 60 °C’ye ayarlayın ve 12 saat boyunca karıştırın. P3HT:EH-IDTBRiçin mürekkep hazırlama prosedürünü tekrarlayın. 2. Rulodan ruloya yuva kalıp kaplaması hazırlama ve gerçekleştirme (Gün 2) Dönüşü ve sıcak plakayı kapatın. Kaplama sırasında mürekkeplerin oda sıcaklığını elde etmek için şişeleri kullanmadan en az 1 saat önce sıcak plakadan çıkarın. Besleyici rulosunda 18 m PET substrat folyo rüzgar. Şekil 5’tegösterildiği gibi alt tabakanın serbest ucunun sarıcı rulosa tutturulması. Alt tabakayı sıkılaştırmak için folyoyu 0,2 m çalıştırmak için motoru çalıştırın. Rulodan ruloya kurulumun ilk sıcak plakasını istediğiniz sıcaklıkta (yani 60 °C) ayarlayın. Sarıcı rulosuna sarıldığında filmin kurumasını sağlamak için ikinci sıcak plakayı 80 °C’ye ayarlayın. İki sıcak plakanın sıcaklığının dengelenmesi için yaklaşık 15 dakika bekleyin. 3 mL şırınna 2,2 mL mürekkep yükleyin. Şırınnayı pompaya monte edin. Şırınnadan yuva-kalıp kaplama kafasına bir tüp takın. Yatay çeviri aşamasını ayarlayarak kaplama kafasını ilk sıcak plakanın sonuna yakın bir yere yerleştirin ve menisküs kılavuzunu alt tabakanın yaklaşık 5 mm üzerine yerleştirin. Şırınna pompasını aşağıdaki kaplama ayarlarında ayarlayın: Hız: 0,08 mL/dk, şırınna çapı: 12,7 mm. Bu formüle göre akış hızını, f’yi ve hareketli substratın hızını, v’ yi ayarlayarak etkin katmanın kalınlığını kontrol edin:burada w filmin genişliğidir (menisküs kılavuzu tarafından belirlenir) ve φ mürekkepteki malzemelerin yoğunluğudur. Bu deneyde, f=0,08 mL/dk akış hızına sahip v =0,6 m/dk kullanıyoruz ve bu da kuru kalınlığı 425 nm olan bir filmle sonuç veriyor. Kritik adım: Şırınnadaki mürekkeyi hortumdan manuel olarak bastırın ve mürekkep kaplama kafasına ulaşmadan önce 1 cm durun. Şırıng pompasını çalıştırın ve menisküs kılavuzunun tüm genişliğini ıslatmak için bir damlacık bekleyin. Hemen, alt tabakayı mürekkeple ıslatmak için kaplama kafasını küçümseyin ve ardından menisküs kılavuzunu alt tabakanın 2 mm yukarısındaki kaplama konumuna kaldırın. Alt tabakayı kaplayan motoru çalıştırın ve mirek kaplamaya başlayın. Kaplamayı durdurmak için pompayı durdurun ve hareketli substratı durdurun. Kaplama kafasını güvenli bir yüksekliğe (alt tabakanın yaklaşık 20 mm üzerinde) kaldırın. Daha sonra başı ve hortumu tetrahidrofuran ile temizleyin. 3. 2. Gün: Yerinde rulo GISAXS deneyleri X-ray kurulumu açıklamasıNOT: Otlatma İnsidansı Küçük Açılı X-ışını kurulumunun toplam uzunluğu 4,5 m’dir ve Şekil 6’dagösterildiği gibi bir X-ışını kaynağı, odaklama optikleri, kolimasyon bölümü, örnek bir aşama, bir uçuş tüpü, ışın durağı ve bir dedektörden oluşur. X-ışını kaynağı Rigaku’dan dönen bir anot. Bu deney için bakır bir anot kullanın ve çalışma durumunu 36 kV ve 36 mA olarak ayarlayın. Denemeyi ince odak modunda çalıştırın. Optikler, 1.5418 şdalga boyu ile Bakır Kα radyasyonunun yansımasını optimize etmek için hizalanmış bir 2D odaklama çok katmanlı monokromatörden oluşur. Kolimasyon bölümü, X-ray kaynağından sırasıyla 45 cm, 141 cm ve 207 cm aşağı akış yerleştirilmiş üç iğne deliğinden oluşur. İğne deliklerinin çapları sırasıyla 0,75 mm, 0,3 mm ve 1,0 mm çapındadır ve numune pozisyonunda yaklaşık 1,0 mm prob boyutuna sahiptir ve 0,2° insidans açısında 286 mm ışın ayak izine karşılık gelen bir prob boyutuna sahiptir. Kiriş, Şekil 7,sol panelde gösterildiği gibi 5 x10 6 fotons -1 örneğinde bir akı ve bir profile sahiptir. Mini rulo kaplamanın konumunu ayarlamak için numune aşamasında en az üç kontrol edilebilir motor olduğundan emin olun. Örnek aşamanın aşağı akışında, rafa 166 cm tahliye edilmiş bir uçuş tüpü (0,01 mbar’dan az) ve ardından bir Eiger 4M X-ışını dedektörü31takın. Rulo kaplamayı takın. Mini rulodan ruloya kaplamayı goniometreye sabitleyin. Goniometreyi, numune konumundaki optik tezgaha rulodan ruloya kaplama ile monte edin. Üç motor kablosunu bağlayın. Goniometre aşamasını tezgaha sabitleyin. Uçuş tüpüne mümkün olduğunca mini roll-to-roll kaplamaya yaklaşın. Kritik adım: Örnek konumunu hizalayın. Mirek 10 cm katlayın ve filmi kirişe yuvarlayın. Hizalama prosedürü üç yönlüdür. Numuneyi ışına paralel hizalayın. Bu, dikey numune konumunun ve insidans açısının bir işlevi olarak doğrudan ışının toplam yoğunluğunu taramanın yinelemeli bir işlemi ile elde edilir. Aşağıdaki formülle dedektördeki yansıyan ışından açıyı hesaplayarak örneği belirli bir insidans açısına hizalayın αi:  (1)BURADA RB yansıyan ışın konumudur, DB doğrudan ışın konumudur (her ikisi de cm olarak ölçülür) ve SDD örnek-dedektör mesafesi, burada 166 cm. Numune konumunun yüksekliğini tarayarak yansıyan ışındaki yoğunluğu optimize edin. Bu deney için 0,2° insidans açısı kullanın. Bu yordamın 2D verileri Şekil 7’de gösterilmiştir. İnsidans açısı seçimi İlgi katmanlarında penetrasyon sağlamak için insidans açısını seçin. Burada bu 0.2 ° ‘lik bir insidans açısı olacaktır.NOT: Bu deney için, ilgi çekici film solvent, P3HT ve IDTBR’den oluşur. Hem P3HT hem de O-IDTBR çözücüden daha yüksek yoğunluğa sahiptir ve muhtemelen toplam yansıma için en yüksek kritik açıya sahiptir. P3HT ve O-IDBTR’nin kritik açısı, ambalajlarına göre değişebilir ve 1,1 – 1,35 g/cm3katı yoğunluğu varsayarak 0,16 ° – 0,19 ° arasında değişen kritik bir açı ile sonuçlanabilir. Böylece, filmin büyük kısmına nüfuz etmeyi sağlamak için 0.2 ° seçildi. Başka bir örnek sistemde GISAXS denemesi yapmak için, belirli bir örnek28,59için en uygun insidans açısını değerlendirin. Dedektörün ömrünü uzatacak olan ışın durdurmayı dedektörden hemen önce takın. Doğrudan ışın için dairesel bir kiriş durağı ve yansıyan kirişi engellemek için ek bir ince dikdörtgen kiriş durağı kullanın. Işın durağının doğrudan kirişi engellemesi gerekir, ancak aynı zamanda düşük saçılma açılarında saçılmanın algılanmasına izin verir.NOT: Yansıyan ışının sürekli izlenmesine izin vermek için bu deneyi ışın durdurma olmadan gerçekleştirmek mümkündür. Nokta emişini takın. Buharlaşan çözücülerden tüm gazları çıkarmak için nokta emişini yerleştirin. Numunedeki hava akışının her deneyde aynı olduğundan emin olmak için nokta emişini sabitleyin. 2,2 mL mürekkepli bir şırınna yükleyin ve şırınnayı şırınna pompasına yerleştirin. Şırınnadaki mürekkeyi hortumdan manuel olarak bastırın ve mürekkep kaplama kafasına ulaşmadan önce 1 cm durun. Kaplama başlığından X-ray kirişine olan mesafeyi ayarlayın. Şekil 8’de gösterildiği gibi, 12 saniyelik bir kurutma süresi (3 saniye boyunca, kaplama kafasını X-ray kirişinden 30 mm’ye yerleştirin) sağlamak için kaplama kafasını folyonun hareketli yönü boyunca X-ışını kirişinden 120 mm’lik bir konuma yerleştirin. Rulodan ruloya yuva kalıp kaplamasını başlatın. Menisküs kılavuzunun yüksekliğini alt tabakanın 5 mm üstüne yerleştirin. Şırıng pompasını çalıştırın ve menisküs kılavuzunun tüm genişliğini ıslatmak için bir damlacık bekleyin. Hemen, alt tabakayı mürekkeple ıslatmak için kaplama kafasını küçümseyin ve ardından menisküs kılavuzunu alt tabakanın 2 mm yukarısındaki kaplama konumuna kaldırın. Alt tabakayı kaplayan motoru çalıştırın ve mirek kaplamaya başlayın. Verileri kaydetmeye başlayın. X-ray deklanşörini açın ve 3000 saniye boyunca veri kaydetmeye başlayın.NOT: Bu deney 3000 saniyelik bir pozlama ile yapıldı, daha sağlam bir yöntem, verilerin esnek zamansal binning’ine izin vermek için birkaç daha kısa pozlama gerçekleştirmektir. Kaplamalı filmin kalitesini bir kamera ile izleyin. Filmin alt tabaka ve menisküs yanlış hizalamaları üzerindeki ıslatma etkilerini arayın. Gerekirse, ölçümleri durdurun ve denemeyi yeniden yapın. Deneyin sonunda, X-ray deklanşörini kapatın. X-ray ışınını uzaktan kapatın. Şırınd pompasını durdurun, kaplama kafasını kaldırın ve folyoyu gevşetin. Bir dizi deneme için, bu yordamı farklı bir ayarda tekrarlayın. 4. Veri işleme NOT: Dört deneme yapıldı ve belirli parametreler Tablo 2’de bulunabilir. P3HT:O-IDTBR ile yapılan deneylerden biri şırınna pompası hatası nedeniyle 2732 saniye sonra durduruldu; bu nedenle, alım süresindeki farkı hesaba katmak için sinyal normalleştirilmelidir. Veri düzeltme İlk olarak, ışın durdurma ve ölü pikseller33için düzeltmek için bir maske kullanın. SAXSLAB tarafından gelişen kozmik ışın filtresi, daha sonra düz alan düzeltme, zaman düzeltme, Şekil 9, sol panelde gösterilen iki veri kümesinde açıkça görülebilen polikristalin alüminyumdan kaynaklanan ek saçılma zirveleri için bir filtre ile takip edin. Gerçek uzaydan karşılıklı alana Bu formülü kullanarak, 2B verileri gerçek alandan ş-1 birimlerinde karşılıklı uzay vektörü qx,y,z’ye dönüştürün:  (2)Burada, αi yüzeyin normaline göre insidans açısıdır, αf dedektördeki çıkış/ son açıdır (dedektörde dikey), 2φf düzlemdeki çıkış / son açıdır (dedektörde yatay) ve φ olay ışınının dalga boyudur. Dalga boylarının korunacağını varsayalım, elastik saçılma olarak da bilinir34. Yoneda hattında yatay çizgi entegrasyonu Sırasıyla ışının merkezi için x ve y koordinatını, dedektör mesafesine (SDD = 1,66 m), X ışınlarının dalga boylarını (1,5418 Å) ve her yöndeki piksel boyutunu (75 x 75 μm2)belirleyin. Yoneda hattının beklenen konumunu, araştırılan örnek28,34 , 35,36’nınkritik açısından hesaplayın. Dağılım yoğunluğunu, bir MatLab komut dosyası kullanarak veya DPDAK veya Xi-Cam38,39gibi özel bir yazılım kullanarak, vektör qxy’yidağıtma işlevi olarak alın. Yoneda hattı boyunca yatay çizgi entegrasyonu gerçekleştirin Şekil 9’da belirtildiği gibi, tatmin edici bir sinyal-gürültü oranı sağlamak için her iki tarafa 50 piksel genişliğinde. Yatay entegrasyonun binning Aşırı örneklemeyi önlemek için (bkz. Şekil 9, sağ panel) ve büyük saçılma vektörleri qxy için sinyal-gürültü oranını artırmak için, verileri logaritmik olarakdepolayın 40. Qxy = 0,5 x 10-3Å’ya kadar veri noktalarını yukarı bölmeyin. Bu, gereksiz veri noktalarının olmamasını sağlayan q-space’teki yüksek yoğunluk ve karşılıklı mesafe nedeniyle gerekli değildir. Itibaren qxy = 0.5 x 10-3şve üzeri, qxyeksenini logaritmik ölçekte 135 eşit aralıklı depo gözüne bölün, böylece qxy = 0,53 x 10-3Å’daki ilk depo gözü iki veri noktasının ortalamasıdır ve qxy = 0,3Å’daki son binned noktası 24 puntosun ortalamasıdır. Teubner-Strey modelini uygulama Verileri açıklamak için üç Teubner-Strey katkısı uygulayın. İlk iki katkı, donör/alıcı arasındaki kontrastı ve son katkı, çözücü ile çevrili daha büyük malzeme agregaları arasındaki kontrastı açıklar. Saçılma yoğunluğunun matematiksel ifadesi aşağıdaki gibidir:  (3)burada β sabit bir arka plan olduğu durumlarda, parametreler a1,i, c1,i, c2,i etki alanı boyutu, d ive korelasyon uzunluğu ξ i, aşağıdaki gibi tanımlanır: (4)Denklemlerden (4), etki alanı boyutu ve korelasyon uzunluğu aşağıdaki gibi ifade edilebilir:  (5)Ve  (6)burada d1, ξ1,d2 ve ξ2 donör/alıcı aşamaları için parametrelerdir ve d3 ve ξ3 toplama/çözücü fazları için parametrelerdir. Takılan modeller Şekil 10’dagösterilmiştir. Açıklanan Teubner-Strey modeline dayanan dört uyumdan elde edilen sonuçlar Tablo 3’te bulunur.

Representative Results

Her şeyden önce, bu makale, kurutma ince filmlerini araştırmak için başarılı bir rulodan ruloya yerinde GISAXS deneyi gerçekleştirme yöntemini ve protokolünü açıklar. Montaja dayanarak, Teubner-Strey modelinin Şekil 10’dagösterildiği gibi hem 12 hem de 3 saniyelik kurutma için P3HT:EH-IDTBR ve P3HT:O-IDTBR verilerini başarıyla açıkladığı sonucuna varılabilir. Teubner-Strey modeline dayalı karakteristik uzunluk ölçekleri Tablo 3’te tablo 4’tekiilgili belirsizliklerle bulunabilir. Dört uyum için de, en yüksek qxy, d 1 ve ξ1için etki alanı boyutu ve korelasyon uzunluğu aynı değere yakındır, 12,0 ± 1,7 nm ile 12,5 ± 2,2 nm ve 3,9 ± 0,4 nm ile 5,0 ± 0,4nm arasında değişmektedir. Bu iki karakteristik boyut ve uzunluk, P3HT:IDTBR ve P3HT:PCBM41,42kuru film dökme heterojunctions için literatürde bildirilendeğerlerebenzer. Büyük yapılar için, d3 ve ξ3, yapıların kurudukça daha büyük hale gelmesi için açık bir eğilim vardır. P3HT:EH-IDTBR için 225 ± 10.3 nm’den 562’ye ± 11.1 nm’ye ve P3HT:O-IDTBR için 241’den 4.1 nm’ye ± 9.2 nm’± 489’a yükseltiyor. Korelasyon uzunlukları, d2, P3HT:O-IDTBR için 30 ± 12 nm ve 34 ± 3.5 nm ve her iki P3HT:EH-IDTBR deneyi için 41 ± 14 nm olarak bulunur. Belirgin bir şekilde, d2 P3HT:O için 12 saniye kuruduktan sonra 3 saniye kuruduktan sonra daha belirgindir. P3HT:EH-IDTBR’nin aksine IDTBR, d2 12 saniye kuruduktan sonra 3 saniye kurumaya göre daha belirgindir. D2’nin d1’de elde edilen sinyale katkıda bulunmak için mi yoksa d3’e katkıda bulunmak için kümeye mi çözüneceği bu deneyde belirlenmemiştir. Teubner-Strey20’ninformalizmine dayanarak, 1için karakteristik parametreler,i, c1,i, c2,i küçük uzunluk ölçeklerinin,1,1, c1,1, c2,1, bir1,2, c 1,2, c2,2, iki fazın birbirine karıştığı spinodal ayrışmanın erken bir aşaması için karakteristik olduğunu gösterir43. Bu, donör/alıcının birbirine karıştırılma morfolojisinin genel anlayışı ile aynı fikirdedir. Büyük uzunluk ölçekleri,1,3, c1,3, c2,3, malzeme ve çözücü agregaları arasındaki kontrastın (elektron yoğunluğu farkı) neden olduğu mikro emülsiyon20’ninkarakteristiğidir. Bu deneyden, d3’ün bu karakteristik parametrelerinin P3HT:O-IDTBR/Solvent, O-IDTBR/Solvent veya P3HT/Solvent arasındaki elektron yoğunluğundan kaynaklanıp kaynaklanmadığını ayırt etmek mümkün değildir. Bir modeli X-ışını’na sığdırmak için, verileri dağıtmak doğal bir ters sorundur. Bu nedenle, saçılma verilerini tanımlamak için birkaç model uygulanabilir. Bu analiz için Teubner ve Strey20,44 formülasyonu verilere uyacak şekilde uygulanmıştır. Çerçeve, landau serbest enerjisinin iki fazlı sistemlerden saçılma yoğunluğunu tanımlamak için bir sipariş parametresi genişlemesinden kaynaklanmaktadır. Modelin yorumlanması, istatistiksel mekanik45’tenbilindiği gibi karakteristik etki alanı boyutuna ve korelasyon uzunluğuna sahip iki fazlı bir sistemin soyut geometrik yapısıdır. GISAXS deneylerinden elde edilen 2B verileri tahmin edebilen birçok sofistike model ve bunu modellemek için kullanıcı dostu yazılım programları34,46 vardır. Genellikle, BHJ’den GELEN GISAXS verileri, çok yüksek doğruluk 27,40 ,47,48ile Bozuk Dalga Kaynaklı Yaklaşık (DWBA) ile modellenir. Bununla birlikte, ana dezavantaj, modellenmiş yapının bir BHJ’de beklenen karmaşıklığa karşılık olmamasıdır. Daha basit bir yaklaşım, analizi qxy yönüyle sınırlamaktır. Qxy’de sadece 1D yatay çizgi kesimleri göz önüne alındığında, saçılmaya ana katkıda bulunanın filmde bulunan yanal yapılardan kaynaklandığını varsaymak adildir. Bunu varsayarsak, yatay hat kesiklerinden alınan momentum transferinin, Teubner-Strey’in 20 türetildiği ve bu nedenle burada sunulan analiz için geçerli olduğu SAXS49,50iletimine karşılık geldiği gösterilebilir. Bu model üç nedenden dolayı seçilir: İlk olarak, model BHJ20 , 26,51dahil olmak üzere çeşitli iki fazlı sistemlere uyduğu kanıtlanmış analitik bir ifadedir ve büyük ölçekli kalite kontrolü ve yerinde ölçümler için geçerli olan çok hızlı montaj algoritmaları için kullanılabilir. İkinci olarak, bilgimiz dahilinde, bu model P3HT:O-IDTBR için iletim elektron mikroskopisi (TEM)52 ve atom kuvveti mikroskopisi (AFM)42ile gözlenen morfoloji ile aynı fikirdedir. Üçüncüsü, basit bir modeldir, yani küçük bir parametre alanına yayılır. Ayrıca, bu makale, fullerene olmayan organik güneş hücrelerinin kurutma kinetiğinin şirket içi bir X-ışını kaynağı ile yoklamanın mümkün olduğunu belgelese. Buna ek olarak, bu yöntem büyük ölçekli rulodan ruloya kaplamalı TV’lerde araştırmayı hızlandırmak için bir araç olarak hizmet etme potansiyeline sahiptir. Şekil 1: P3HT, O-IDTBR ve EH-IDTBR’nin kimyasal yapısı. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın. Şekil 2: (Sol) Toplu heterojunksiyon organik güneş hücresinin çalışma prensibi. Güneş ışığı, ayırma üzerine deliğin ve elektronun sırasıyla katot ve anotlara yayılmasına izin veren bir ekssiton yaratıyor. (Sağ) Donör ve alıcının HOMO ve LUMO seviyelerinin enerji diyagramı. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın. Şekil 3: (Solda) Esnek alt tabaka P3HT:O-IDTBR ve P3HT:EH-IDTBR üzerine kaplanmış rulo yuvası kalıbı için JV-eğrileri, Tablo 1’de gösterilen en iyi performans gösteren cihazlara karşılık gelir. (Sağ) Esnek alt tabaka P3HT:O-IDTBR ve P3HT:EH-IDTBR üzerine kaplanmış rulo yuvasının EQE eğrileri kalıp. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın. Şekil 4: PET substrat üzerine kaplanmış iki mürekkep görüntüleri. Üst P3HT:EH-IDTBR ve alt P3HT:O-IDTBR’ dir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın. Şekil 5: (Solda) Mini rulodan ruloya kaplama görüntüsü. 1. a) 1.b) sırasıyla folyo besleyici ve alıcının dönüş merkezini gösterir. Motor, rulodan ruloya kaplamanın arka tarafındadır ve bir step motorudur. 2) Üç yönde de hareket edebilen kaplama kafasının çeviri aşamaları, folyo boyunca, yukarı ve aşağı ve dışa ve içe doğru. 3) Mürekkepli bir hortumun tutturulabileceği yuva kalıp kaplama kafası. 4) Hareket eden substratı istenen sıcaklığa ısıtacak iki okla gösterilen iki sıcak plaka. Bu deneyde 60 °C olarak ayarlanmıştır. Tüm parçalar uzaktan kontrol edilir. (Sağ) GISAXS kurulumuna monte edilmiş rulodan ruloya kaplama. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın. Şekil 6: Otlatma insidansı Küçük Açılı X-ışını Saçılım için deneysel kurulum. 1) X-ışını kaynağı Rigaku tarafından yapılan dönen bir anot. Bakırdan yapılmış döner bir anot 36 kV 36 mA’da çalıştırıldı. 2) CuK’nin dönen anot dağınıklığından gelen karakteristik floresanları tek bir sıçrama çok katmanlı aynadan α optik bölüm, bu da ışını dalga boyunda tek renkli hale getirir: φ=1.5418 Å. 3) Bu deney için uygulanmayan attenuator istasyonu. 4) Üç okta belirtildiği gibi birbiri ardına üç iğne deliğinden oluşan kolimasyon bölümü. Pim deliklerinin çapı sırasıyla 0,75 mm, 0,3 mm ve 1,0 mm’dir. 5) İnsidans açısını kontrol etmek için dikey hareketli bir eksene ve bir goniometreye bağlı mini rulodan ruloya kaplayıcı konumu. 6) Vakumda uçuş tüpü. 7) Eiger 4M dedektörü. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın. Şekil 7: Hizalama prosedüründe ham Eiger 4M verileri olarak gösterilen üç adım. (Sol) İlk olarak, doğrudan kirişi engelleyen bir şey olmadığından emin olun. Bu örnekte ışın durağı hemen solda ve doğrudan ışının altında bulunur. (Orta) Örneği dikey eksen boyunca tarayın ve doğrudan kirişin yarısının numune tarafından engellendiği yere yerleştirin. Daha sonra numuneyi döndürerek insidans açısını kademeli olarak değiştirebilir ve numuneyi doğrudan ışının yoğunluğunun en yüksek olduğu yere yerleştirin. Numunenin ışınla tamamen paralel olmasını sağlamak için bu işlem 3-5 kez yapılmalıdır. (Sağ) Dedektörde net bir yansıma oluşana kadar numuneyi döndürün. Bu iki konumdan, tam olay açısı hesaplanabilir (metne bakın). Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın. Şekil 8: İki farklı açıdan görülen iki kuruma aşaması. (Solda), filmin yoklanmadan önce 3 saniye boyunca kuruduğu ıslak aşamadır. (Sağda), filmin 12 saniyedir kuruduğu kuru aşamadır. Kontrast, kenarların kurumasının etkisini görselleştirmek için artırıldı. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın. Şekil 9: (Solda) 2D veri P3HT:O-IDTBR 3000 saniye alım süresi ile 12 saniye kurutmada. Kırmızı dikdörtgen, yatay entegrasyonun nerede yapıldığını ve alüminyum tepeler olarak işaretlenen yoğun alanların ısıtıcı plakasından kaynaklandığını gösterir. (Sağ) Alüminyum tepelerin q vektörlerinin entegrasyondan çıkarıldığı kırmızı dikdörtgenden yatay entegrasyon. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın. Şekil 10: Dört deney için binned yatay çizgi entegrasyonu: P3HT:EH-IDTBR (siyah) ve P3HT:O-IDTBR (mavi), Teubner-Strey uyumları ile birlikte hem 12 saniyede (üçgenler) hem de 3 saniye (kareler) kurumada. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın. Kuruma süresi (ler) Ölçüm süresi (ler) P3HT:O-IDTBR 3.0 2732 P3HT:O-IDTBR 12 3000 P3HT:EH-IDTBR 3.0 3000 P3HT:EH-IDTBR 12 3000 Tablo 1: P3HT:O-IDTBR ve P3HT:EH-IDTBR’ye dayanan 1 cm2 organik güneş hücresinin optoelektronik özellikleri, güç dönüşüm verimliliğini (PCE), kısa devre akım yoğunluğunu (JSC),dolgu faktörünü (FF) ve açık devre voltajını (VOC)100 mW/cm2 aydınlatmanın altında gösterir. P3HT:EH-IDTBR Pce(%) JSC(mA/cm2) Ff(%) VOC(mV) 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 Ortalama 2.07 5.01 58.49 0.70 stand geliştirme örneği 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 Ortalama 3.22 7.58 60.08 0.71 stand geliştirme örneği 0.14 0.26 0.70 0.00 Tablo 2: Verilere genel bakış. P3HT:3.0 sn kurutma süresine sahip O-IDTBR, şırınna pompası hatası nedeniyle 2732 sn’den sonra durduruldu. Takılı değerler d1 [nm] ξ1 [nm] d2 [nm] ξ2 [nm] d3 [nm] ξ3 [nm] EH-IDTBR 12’ler 12.2 4.7 41 22 562 20 EH-IDTBR 3’ler 12.0 5.0 41 17 225 18 O-IDTBR 12’ler 12.4 4.8 34 32 489 16 O-IDTBR 3’ler 12.5 3.9 30 18 241 13 Tablo 3: Dört deneyden takılmış değerler. [nm]’nin tüm birimleri. Hata d1 [nm] ξ1 [nm] d2 [nm] ξ2 [nm] d3 [nm] ξ3 [nm] EH-IDTBR 12’ler 1.4 0.2 10 3.2 11.1 1.7 EH-IDTBR 3’ler 1.7 0.4 14 2.1 10.3 1.9 O-IDTBR 12’ler 2.1 0.3 3.5 2.7 9.2 1.5 O-IDTBR 3’ler 2.2 0.4 12.0 1.3 4.1 0.6 Tablo 4: Dört deneyden takılan değerlerin standart sapmaları. [nm]’nin tüm birimleri.

Discussion

Bir GISAXS deneyi için insidans açısı çok önemlidir. Esnek bir substrat üzerinde 18 metrelik filmin rulodan ruloya kaplanması sırasında filmin insidans açısına göre ne kadar kararlı hareket edeceği sorgulanabilir. Bu gösteride gerçekleştirilen deneyler için, hareketli substratın kararlılığını kanıtlayamıyoruz, ancak kurulumun eski bir sürümünün kullanıldığı önceki yayınlanan veriler, kararlı bir film18,21. Bu rulodan ruloya kaplamanın kullanıldığı önceki senkrotron deneyleri, insidans açısının, yansıyan ışının zamanın bir işlevi olarak (0,1 s zamansal çözünürlüğe sahip) değerlendirildiği gibi 0,03° ± fazla değişmediğini göstermiştir, bu da bu deney için Yoneda çizgisinden ± 12 piksele eşittir, yatay çizgi entegrasyonu ise ± 50 piksel ile yapıldı. Bu analiz için yapılan varsayıma göre, bu küçük insidans açısı değişikliği bu çalışmanın analizini etkilemeyecek ve bu nedenle ihmal edilebilir. Gelecekte, bu tür deneyler bir ışın durdurma olmadan ve deney boyunca insidans açısını araştırmak için sürekli veri toplama ile yapılmalıdır.

Kurutma filminin üzerindeki hava konveksiyonu, bağıl basınç ve bağıl nemin ince filmlerin kurutma profilini etkilediği bilinmektedir; bu nedenle, tamamen tekrarlanabilir bir deney yapmak için, bu parametreleri dikkatlice ölçmek bir gerekliliktir. Bu kağıttaki dört ölçüm arasındaki karşılaştırma, bunların aynı gün içinde aynı koşullar altında kaplanmış olması nedeniyle geçerlidir.

Bir roll-to-roll yerinde GISAXS deneyi gerçekleştirmek için, başarılı bir deney sağlamak için çeşitli kriterlerin yerine getirilmesi gerekir. Saçılma sinyaline sahip olmak için malzemeler arasındaki elektron yoğunluğu (kontrast) farklarının yeterince yüksek olması gerekir. Bu konudaki yönergeler yayınlandı J. Als-Nielsen vd.53.

Bir laboratuvar kaynağının senkrotrona göre düşük X-ışını akısı nedeniyle, bu tür deneyleri yapmak için çok daha fazla malzemeye ihtiyaç vardır. Bu nedenle, malzeme keşfi için tam olarak geçerli değildir, ancak OPV’lerle ilgili mürekkep formülasyonlarının optimizasyonu için bir araç olarak hizmet edecektir. Ek olarak, düşük akı nedeniyle, kurutma mürekkeplerinin zamansal çözünürlüğü ile ilgili olarak daha kaba deneyler yapmak mümkündür. Bu tür deneyler sırasında kururken 18 metrelik aktif tabakayı araştırıyoruz. Deney boyunca büyük ölçekli morfolojide küçük farklılıklar bekliyoruz ve bu nedenle 18 metrelik kaplamalı filmin ortalamasını araştırıyoruz. Bu, büyük ölçekli bir fabrikasyonun koşullarını taklit eder. Birkaç metre içindeki inhomogeneity çalışılacaksa, senkrotron radyasyona ihtiyaç vardır.

3000 saniyelik pozlamalar yapmak en uygun deneysel tasarım değildir. Daha sağlam bir yöntem, büyük ölçekli homojenlikleri analiz etmek ve insidans açısını her zaman araştırmak için esnek zamansal veri binning izin vermek için birkaç daha kısa pozlama gerçekleştirmektir.

Bildiğimiz kadarıyla, bu, daha önce kristal kırınım sinyali 54,55’ianaliz eden benzer deneyler göstermiş olmamıza rağmen, bir laboratuvar X-ışını kaynağında OPV’ler için mürekkeplerin rulodan ruloya kaplanması üzerinde yerinde bir GISAXS gerçekleştirmenin ilk gösterimidir. Bu gösteri ve protokolle, araştırmacılar, öğrenciler ve gelişmekte olan mühendisler için yerinde GISAXS deneyleri uygulamanın ve gerçekleştirmenin daha kolay olacağına inanıyoruz. Bu, araştırma alanını potansiyel olarak hızlandırabilir, çünkü bu tür ekipmanlara günlük olarak erişmek mümkündür. Ayrıca, rulodan ruloya bir kaplama kullanarak, güneş hücresi performansını bu deneyde araştırılan yapısal özelliklerle karşılaştırmak mümkündür, 1:1.

Deneysel kurulumun iyileştirilmesi, evde bir X-ışını kaynağına sahip olmanın tüm avantajlarından yararlanmak için gereklidir. Küçük laboratuvar kaynakları için kullanılabilir X-ışını akısını artırmanın yanı sıra, bu deneyin iyileştirilmesi için ilk adım, Şekil 9’da (solda) gösterildiği gibi, verileri aşırı alan alüminyumdan tepelerin dağılımını önlemektir. Bu, uygun ısıtma için 150 ° C’ye kadar sıcaklıklara dayanabilen bir X-ışını emici substrat tutucu takılarak gerçekleştirilebilir. Ayrıca, numuneden hemen önce koruma yarıkları veri kalitesini artıracaktır. Bu gösteri sadece organik güneş hücresi topluluğundaki araştırmalar için değil, ince film teknolojileri için kaplama parametrelerini araştıran veya optimize eden herhangi bir alan için ilgi çekicidir. Bu tekniğin kristal yapıların araştırıldığı eşzamanlı GIWAXS ile birleştirilmesi, evde rulodan ruloya X-ışını deneylerinin uygulanabilir olduğu bilimsel alanların sayısını daha da artıracaktır.

Bu yerinde rulo deneyler ıslak filmleri yoklarken, çözücü ışıklı X-ışını ışınının çok büyük fraksiyonlarını emmezse faydalıdır. Genel olarak polimer:PCBM sistemleri büyük bir kontrasta sahiptir ve klor içermeyen bir çözücü ile birleştiğinde (güçlü bir X-ışını emicidir) büyük bir kontrastı garanti eder, böylece yüksek saçılma yoğunluğu. Bu deney için, P3HT:IDTBR’nin kontrastı küçüktür ve klorlu bir çözücü ile birleştirildiğinde saçılma yoğunluğu düşüktür. Bu malzemeler böyle bir deney için ideal değildir, ancak güneş pilleri için çok ilginçtir, bu yüzden düşük kontrastlı ve yüksek emiciliğe sahip sistemlerin de araştırılabilmesini sağlamak için bu tekniğin daha da geliştirilmesi gerekir. Model seçimi, çeşitli GISAXS denemelerinde karşılaştırmalı bir analiz yapmak için en belirleyici faktördür. Bu makalede sunulan analiz için, dört veri kümesini tanımlamak için Teubner-Strey çerçevesi uygulanmıştır. Bir model seçmek için en iyi yöntem, araştırılan örneğin şekli ve boyutu hakkında ab initio bilgilerine sahip olmaktır. Bu, TEM görüntülerinden, simülasyonlarından veya mikroskop resimlerinden elde edilebilir. Model seçimimizin arkasındaki neden metinde belirtilmiştir, ancak bu tür GISAXS verilerini tanımlamak için birkaç modelin seçilebileceği belirtilmelidir. Teubner-Strey modeli başlangıçta iletim SAXS için geliştirilmiştir, ancak BHJ güneş pillerinin GIWAXS verilerini51’den önce ve şimdi burada başarıyla modellemiştir. Diğer iyileştirmeler, moleküler dinamik simülasyonlarından bilindiği gibi soyut geometrik modelleri uyarlamak ve DWBA’yı model 2D verilerine uygulamaktır. Alternatif modeller şunlardır: DWBA’nın 2D verileri modellemek için gerekli olduğu53‘te açıklandığı ve uygulandığı gibi bir dereceye kadar polidisperz dağılımına sahip katı geometrik nesneler, Fresnel yansıtıcılık ve Gauss dağılımlarının bir kombinasyonu, sipariş edilen sistemlere uyum sağlamak için co-block polimerler GISAXS sinyalleri56, boncuk modelleri esas olarak biyolojik numuneler için57ve fraktal geometri58,59.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Yazarlar, enstrümanın yeniden inşasına ve bakımına yardımcı olan iki teknisyen Kristian Larsen ve Mike Wichmann’ı kabul etmek istiyor. Ayrıca, yazarlar Roar R. Søndergaard ve Anders Skovbo Gertsen’e verimli tartışmalar için teşekkür etmek istiyor. Bu çalışma, Avrupa Birliği’nin Horizon 2020 araştırma ve yenilik programı (SEEWHI Consolidator hibe 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