Name: printing fabrication of bulk heterojunction solar cells and in situ morphology characterization
Uploaded: 2017-01-29T14:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 32 s
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This work was supported by Polymer-Based Materials for Harvesting Solar Energy (PHaSE), an Energy Frontier Research Center funded by the U.S. Department of Energy, Office of Basic Energy Sciences under award number DE-SC0001087 and the U.S. Office of Naval Research under contract N00014-15-1-2244. Portions of this research were carried out at beamline 7.3.3 and 11.0.1.2 at the Advanced Light Source, Lawrence Berkeley National Laboratory, which was supported by the DOE, Office of Science, and Office of Basic Energy Sciences.

1. Photon aktive Mischung Tintenherstellung <ol><li> Wiegen 10 mg DPPBT Polymer und 10 mg PC 71 BM Material (chemische Strukturen in Figur 1 gezeigt). Mischen Sie sie in einem 4-ml-Fläschchen. </li><li> 1,5 ml Chloroform und 75 ul 1,2-Dichlorbenzol in die Mischung. </li><li> Setzen Sie einen kleinen Rührstab in das Fläschchen, schließen Sie das Fläschchen mit einem Polytetrafluorethylen (PTFE) Kappe, und übertragen Sie die Fläschchen auf einer heißen Platte. Rühre bei ~ 400 Upm und Wärme bei ~ 50 ° C über Nacht vor dem Gebrauch. </li></ol> 2. ITO und Wafer-Substrat Reinigung und Vorbereitung <ol><li> Laden Indium - Zinn - Oxid (ITO) Glassubstrat (1 Zoll von 3 Zoll, wobei die Hälfte ITO entfernt) vorge gemustert oder Silizium - Wafer in eine Teflon Reinigung Rack und setzen Sie das Rack in einen Glasbehälter (Abbildung 2). In verdünnten Reinigungslösung (300 ml, 1% Universal-Reinigungslösung) in den Glasbehälter und setzen Sie den Glasbehälter in Beschallungsgerät und beschallen für 15 min.</li><li> Entfernen Sie die Reinigungsmittel und spülen Sie das ITO-Glas mit deionisiertem (DI) Wasser ein paar Mal. Dann fügen Sie 300 ml DI-Wasser in den Behälter, und setzen Sie den Glasbehälter in Beschallungsgerät für weitere 15 Minuten. </li><li> Entfernen des Wassers aus dem Behälter. Hinzufügen von 300 ml Aceton in den Behälter und beschallen für 15 min. </li><li> Entfernen Sie das Aceton. In 300 ml 2-isopranol in den Glasbehälter, und dann für 15 min beschallen. </li><li> Bewegen Sie die Reinigung in einen Ofen Rack aus. Stellen Sie die Ofentemperatur auf 100 ° C, und warten Sie 3-5 Stunden, bis das ITO-Glas vollständig getrocknet wird. </li><li> Nehmen Sie gereinigten Substrate. Bringen Sie sie in eine UV-Ozon-Reiniger oder Sauerstoff-Plasma-Reiniger. Verwenden Sie High-Power-UV-Ozon oder Plasma zu reinigen für ~ 15 min nach dem Protokoll des Herstellers. </li><li> Setzen Sie das gereinigte Substrat auf einen Spin-Coater, fügen Sie 150 ul Poly (3,4-ethylendioxythiophen) Polystyrolsulfonat (PEDOT: PSS) Lösung auf das gereinigte Substrat und Schleuderbeschichtung bei 3000 Umdrehungen pro Minute zu beschichtena ~ 30 nm dicken PEDOT: PSS (PEDOT: PSS 4083) Dünnfilm entweder auf die ITO-Glas oder Silizium-Wafern. </li><li> Take off Spin-beschichtete Substrate. Übertragen Sie die frisch beschichtete Substrate auf einer Heizplatte und Glühen bei 150 ° C für 15 min. </li></ol> 3. Aktive Ebene Druck <ol><li> Last Substrat. Setzen Sie die PEDOT: PSS beschichtete ITO-Substrat auf die Grundplatte des Minischlitzdüsenbeschichtungsvorrichtung. Einschalten der Vakuumpumpe, die mit dem Vakuumspannfutter des Schlitzdüsenbeschichtungsvorrichtung verbunden ist, um das Substrat fest zu halten. (Siehe Abbildung 3 auf verschiedene Komponenten finden.) </li><li> Stellen Sie die Position des Substrats, um es direkt unter Druckkopf. Dies kann durch Verwendung der Linearmanipulator unterhalb der Substratplatte durchgeführt werden. </li><li> Stellen Sie den Kopf kippen mit der 2-D Neigungs Manipulator, der den Druckkopf hält. Stellen Sie sicher, dass der Kopf steht senkrecht auf der Oberseite des geladenen Substrats. Beachten Sie, dass in diesem Prozess kann der Druckkopf abgesenkt werden nahe der Substrate. Verwenden Sie den Abstand zwischen Druckkopf und Substrat zu zeigen, ob der Kopf geneigt ist oder nicht. Dies wird sehr nützlich sein, wenn ein Wafersubstrat verwendet wird, da eine kleinere Bild von Druckkopf wird sich zeigen, und es wird viel leichter sein, die Neigung zu überprüfen. </li><li> Stellen Sie den Kopf-an-Substrat-Abstand auf Null. Der vertikale Motor ist mit einem Kraftsensor verbunden ist. Wenn der Druckkopf schwebt, wird eine konstante Kraft Lesung (aus dem Gewicht des Druckkopfes und Kippen Manipulator Baugruppen) erhalten werden. Sobald Druckerkopfsubstrat berührt, wird das Lesen zu verringern, die Nullpositionsmarkierung. Siehe Abbildung 4 für den Schritt Entfernungseinstellung. Verwenden Sie Jog-Modus in den Abstand zu stimmen. HINWEIS: Die vertikale Manipulator translationale Platte mit seiner Basis verbunden ist Federn und die Federkonstante mit leicht variiert. So kleine Änderungen in der Kraftsensor sind während des Experiments unvermeidlich. </li><li> Stellen Sie einen Kopf-an-Substrat-Wert, das Experiment zu starten. In diesem Experiment hat dieKopfspalt auf 100 &amp; mgr; m auf das Substrat. </li><li> Stellen Sie die lineare Translationsstufenmotor, der verwendet wird, um zu drucken. Finden Sie den Startpunkt und Endpunkt. Notieren Sie diese Werte. Die Entfernung des Linearmotors ist 100 mm. Hier stellen 10 mm Motorposition als Ausgangspunkt und 80 mm Motorposition als Endpunkt. </li><li> Stellen Sie die Druckgeschwindigkeit auf 10 mm / sec durch den Motor unter Verwendung von Steuersoftware - Schnittstelle (Abbildung 4b). Stellen Sie den Motorbeschleunigungsgeschwindigkeit auf 100 m / sec. <ol><li> Wenn der Motor nicht richtig funktioniert oder die Software einen Fehler hat, starten Sie die Software und klicken Sie auf &quot;Enable&quot; und dann &quot;zu Hause&quot; in der Software-Schnittstelle. Beachten Sie, dass Verfahren während des Druckens der Druckkopf fixiert bleibt und das Substrat bewegt, um die Lösung zu verzichten und ahmen die industrielle Druckverfahren. </li></ol></li><li> Last DPPBT: PCBM-Lösung (Raumtemperatur) in 1-ml-Spritze und montieren Sie die Spritze mit dem Spritzenpumpe, die mit dem Schlitz verbunden iststerben Drucker. Stellen Sie die Druckparameter in Steuersoftware (Spritzendurchmesser und Lösungszufuhrgeschwindigkeit, 0,3 ml / min in diesem Fall). </li><li> Starten Sie den Druck Experiment. <ol><li> Bewegen Sie das Substrat zum Ausgangspunkt durch die Startpunktposition im Positionsfenster eingeben Software zu steuern. Siehe Abbildung 4c für weitere Einzelheiten. </li><li> Starten Lösung in Schlitzdüsenkopf zu pumpen, indem Sie den Start in der Spritzenpumpe Software klicken. Alternativ manuell bedienen, die Spritzenpumpe. Für jede Beschichtung wird rund ~ 100 &amp; mgr; l Lösung verwendet werden. Normalerweise verwenden 300 ul Lösung erstmals den Druck und verwenden ~ 100 &amp; mgr; l Lösung für wiederholte Druck. </li><li> Schnell die Translations Motor zu starten, wenn die Lösung aus dem Druckkopf herauskommt beginnt, und das Substrat wird in die Endposition bewegen. Bitte beachten Sie, dies ist ein wichtiger Schritt. Preload die Translationsmotor Endposition in das Positionsfenster, und drücken Sie die Eingabetaste, um den Motor zu starten movement. </li><li> Stoppen Sie die Spritzenpumpe und heben Sie den Druckkopf durch die vertikale Motor. Schalten Sie das Vakuum aus, und nehmen Sie das Substrat aus der Grundplatte. mehr als 250 &amp; mgr; l Lösung Beachten Sie, dass das Totvolumen für diesen Druckkopf 250 &amp; mgr; l ist, und somit nimmt das erste Mal mit Wasser gefüllt. </li><li> Legen Sie das bedruckte Substrat in einem Vakuumofen 3-5 Stunden restliches Lösungsmittel zu entfernen. </li><li> Legen Sie eine Petrischale unter dem Druckkopf. Die Pumpe 10 ml Chloroform in den Druckkopf, den Kopf zu reinigen. Sammeln Sie die kontaminierte Chloroform-Lösung mit der Petrischale. Verwenden Sie Wattestäbchen den Druckkopf zu reinigen, während die Reinigungslösung zu pumpen. Nach jedem Beschichtungsgang, reinigen Sie den Druckkopf, vor allem, wenn eine andere Lösung verwendet wird. HINWEIS: Die DPPBT: PCBM Lösung zeigt eine dunkelgrüne Farbe. Wenn die Reinigung abgeschlossen ist, kann keine Farbe aus dem Chloroformlösungsmittel gesehen werden. </li></ol></li></ol> 4. Kathodenelektrode Deposition <ol><li> Laden Sie dasaktive Schicht beschichtete Substrat auf Schattenmasken (5) und der Maske in die Verdampfungskammer montieren. </li><li> Legen Sie zwei thermische Verdampferschiffchen zwischen den Elektrodenbolzen (6a). Legen Sie ein Boot mit LiF Salz (kaum für das Boot, ~ 0,2 g) und ein Boot mit Aluminiummetall (4 Pellets). </li><li> Schließen der Verdampfungskammer und der Pumpe der Verdampfungskammer auf etwa 2 x 10 -6 Torr. </li><li> Stellen Sie die Kammer 1 nm LiF von 100 nm von Aluminium gefolgt abzuscheiden. Im aktuellen Fall, verwenden 20% Leistung für LiF Abscheidung und verwenden 26% Leistung für Al-Abscheidung. Gezeigt in Figur 6b ist der Verdampfer - Steuerschnittstelle des Systems in dieser Studie verwendet. </li><li> Stoppen Sie Evakuierungspumpen und füllen Sie die Kammer mit Stickstoffgas. Wenn der Druck wieder auf Atmosphärendruck, nehmen die Substrate aus. </li></ol> 5. Photovoltaik-Leistungsmessung <ol><li> Bereiten Sie einen Glasträger, die die Hälfte derBreite der ITO-Glas, das in der Bauelementherstellung verwendet wird. Führen Sie diesen Schritt in einem Handschuhkasten. Paste Epoxid - Kleber auf eine Seite des Glassubstrats, und decken den Gerätebereich mit den Epoxid - Kleber beschichtete Glasträger (siehe Abbildung 11 für die Probengerät). Wenn das Epoxid ausgehärtet ist, wird das Gerät vollständig abgedichtet werden. </li><li> Starten Sie die Sonnensimulation Lampe und setzen 1,5 Strahlung mit 100 mW / cm 2 bis AM. Stabilisieren Sie die Lampe für etwa 15 Minuten vor der Messung. Gezeigt in Figur 7 ist das PV - Messsystem in dieser Studie verwendet. </li><li> Montieren Sie das Gerät unter dem Solarsimulator am Instrument vorgeschlagen Abstand. Verbinden der Anode und der Kathode mit der Messschaltung. Aufzeichnen einer Strom-Spannungskurve mit einem elektrischen Multimeters Protokoll des Herstellers verwendet wird. </li><li> Bestimmen die Leistung der Vorrichtung wie folgt: J sc: Kurzschlussstrom, der maximale Strom , dass eine Solarzellenvorrichtung liefern kann; V oc </sub&gt;: Leerlaufspannung kann die maximale Spannung, dass eine Solarzellen-Vorrichtung liefern; FF: Füllfaktor, die maximale Fläche in IV - Kurve dividiert durch J sc * V oc; PCE: Energieumwandlungseffizienz, J sc * V oc * FF / (100mW / cm 2). </li></ol> 6. Synchrotron-Röntgenmess <ol><li> Einrichten einer Heliumkasten Luftstreuung in der Röntgenmessung zu unterdrücken. Montieren Sie den Mini-Slot-Die-Coater in den Helium Box. Gezeigt in der Abbildung 8 ist der Versuchsaufbau von streifenden Einfall Röntgenbeugungsexperimenten ein Helium - Box bei Advanced Light Source verwenden. </li><li> Montieren eines optischen Interferometers auf die Druckmaschine die Dickenänderung über die Lösungsmittelverdampfung zu überwachen. In diesem Experiment verwenden , um ein UVX Modell (zB Filmetrix F20). Die Materialien, die in diesem Experiment verwendet werden, haben eine starke Lichtabsorption von 300 bis 900 nm Wellenlänge. <ol><li> Verwenden Sie eine Quellenlampe des optischen Interferometers thbei vermeidet Materialabsorption. Verwenden Sie eine 1,100-1,700 nm Wellenlänge Lampe in diesem Experiment. Pre-Kalibrierung des Instruments, bevor Experiment nach ihrer Betriebsabläufe. </li></ol></li><li> Setzen Sie die PEDOT: PSS beschichtete Wafersubstrat auf Substrathalter des Druckers und stellen Sie den Kopf und Substratposition folgenden Schritt 3,2-3,5. Schalten Sie die Vakuumpumpe und stellen Sie sicher, dass das Wafersubstrat fest an dem Substrathalter klebt. </li><li> Spülen Sie die Helium Box Luft zu entfernen. Man beachte, dass Sauerstoffgehalt sollte weniger als 0,3% v, die durch Sauerstoffsensor überwacht werden kann. </li><li> Ausrichten des Substrats an der Position, wo die Röntgenstrahlen auf das Substrat (die Endposition in Druck) und stellen die Einfallswinkel, 0,16 ° in diesem Fall trifft. Richten Sie nach Beamline-Protokoll. </li><li> Stellen Sie die Röntgenbelichtungszeit und Datenerfassungsmethode. Hier verwenden 2 Sek wie die Belichtungszeit, und um 3 Sek der Verzögerungszeit folgte (auf Server Strahlschäden zu vermeiden). Somit wird jeder Versuch Zeitraum wirdsein 5 Sek. Führen Sie eine kontinuierliche Warteschlange von 100 Wiederholungen; also 100 Bilder aufnehmen. </li><li> Nennen Sie das Experiment, und wählen Sie den Datenpfad experimentelle Dateien zu speichern. Gezeigt in der Abbildung 9 ist der Advanced Light Source - Strahlrohr 7.3.3 Benutzeroberfläche , wo die oben genannten Einstellungen können leicht entfernt werden. </li><li> Bewegen des Substrats in die Ausgangsposition durch die Startposition in Motorsteuerungssoftware eingeben. Starten Sie den X-ray Shutter und der Detektor kontinuierlich Beugung / Streuung Signale aufzuzeichnen. </li><li> Starten Sie die Spritzenpumpe Lösung in Druckkopf zuzuführen. Wenn die Lösung aus dem Druckkopf auszustoßen beginnt (von einer Überwachungskamera überwacht), schnell den Druckvorgang zu starten. HINWEIS: Wenn die vorgewählten Messposition erreicht ist, 2-D-Detektor wird das Streusignal aus der Lösung zu erfassen. Die Filmdicke wird durch Interferometer überwacht werden. So ist die dünne Evolution Filmmorphologie wird aufgezeichnet. </li><li> Heben Sie den DruckerKopf und den Kopf reinigen, wenn Experiment durchgeführt wird. </li></ol>

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The authors have nothing to disclose.

Das hier beschriebene Verfahren konzentriert sich eine Filmherstellungsverfahren zu entwickeln, das leicht skaliert in der industriellen Produktion werden kann. Dünnfilmdruck und Synchrotron Morphologie Charakterisierung sind die kritischsten Schritte mit dem Protokoll. In früheren Labor skaliert OPV Forschung wird Spin-Coating als die dominierende Methode zur Dünnschichtvorrichtungen herzustellen. Jedoch verwendet dieses Verfahren hohe Zentrifugalkraft, um sich auszubreiten BHJ-Lösung, die aus der industriellen Basis Roll-to-Roll-Fertigung ganz anders. Damit das Wissen und die Erfahrung von der Schleuderbeschichtungs Studie erhalten wurde, kann nicht direkt auf große Fläche Vorrichtungsherstellung übertragen werden. Die Mini-Schlitzdüsenbeschichtungsvorrichtung in den aktuellen Studien vorgestellt, ist auf die industrielle Filmbeschichtungsvorrichtung ähnlich und wird daher für vorindustriellen Tests ideal. Parameter, die die Filmmorphologie zu steuern, die die Leistung der Vorrichtung entsprechen, müssen erneut untersucht werden. Die Materialkosten in Minischlitzdüsenbeschichtung ist minimal und somitgroße Menge von Vorrichtungsherstellungsbedingungen optimiert werden. Eine Synchrotron-Messung wird verwendet, um die Morphologie Entwicklung von Bulk-Hetero (BHJ) Solarzelle dünnen Filmen zu bestimmen. Wir führen streifenden Einfall Röntgenbeugung (GIXD) und streifenden Einfall der Röntgenstreuung (GISAXS), um die Entwicklung der Struktur zu überwachen. Es ist ideal, diese beiden Experimente zusammen zu laufen. Falls dies nicht möglich, sie können getrennt durchgeführt werden. Der einzige Unterschied zwischen GIXD und GISAXS ist die Probe-Detektor-Abstand und damit nur wir das Experiment Details einmal beschreiben. PEDOT: PSS beschichtete Siliziumwafer wird als Beschichtung von Substraten verwendet werden. Der Druckvorgang ist der gleiche wie der Prozeß zur Bauelementherstellung. Es ist wichtig, dass der Drucker Position auf dem Substrat und der rechte q Bereich erreicht werden kann, um sicherzustellen, berechnet wird und das Substrat Startpunkt und Endpunkt kann mit Röntgenstrahlen belichtet werden. Beachten Sie auch, dass in dem GIXD Experiment, um die Probe-Detektor-distanz ist klein, und der Detektor montiert ist ziemlich nahe an der Heliumkasten. Im GISAXS Experiment wird ein fliegendes Luftröhre erforderlich Streuung, da die Probe-Detektor-Abstand ist ziemlich groß (ca. 4 m in diesem Experiment Einstellung) zu reduzieren. Bitte beachten Sie, dass beide GIXD und GISAXS Messungen werden an der Endposition erfolgen. Wenn der Druckprozess die Endposition erreicht, wird die lineare Translationsmotor stoppt, und kontinuierliche Röntgenstreuung / Beugungsdaten erzeugt wird. Beachten Sie, dass die Fahrstrecke für die lineare Translationsstufe 10 cm ist. An der Startposition wird das Substrat weit von dem Röntgenstrahl, und nur das Sendesignal des Hintergrund ist in der 2-D-Röntgendetektor erfasst. Wenn das Substrat bewegt sich zu der Messposition, wird sie von der Übertragung zu ändern grazing incidence Streuung Streuung und dieser Übergang kann als der Startmarkierung des Experiments verwendet werden. Die geringe Größe von Minischlitzdüsenbeschichtungsvorrichtung ist gut geeignet für r<html> esearch Labor. Der Verbrauch von photoaktiven Materialien ist sehr gering. Normalerweise können 10 mg konjugierten Polymeren 1-2 ml Lösung. Das Totvolumen in dem Druckkopf ist etwa 0,25 ml. In jedem Beschichtungs Experiment ~ 0,1 ml verwendet. Somit ist dieses neue Verfahren mit den Materialverbrauch effizient. Normalerweise 100-200 mg von Materialien sein genug wird ein effizientes Verfahren in neuen Materialien Screening eine große Matrix von Verarbeitungsbedingungen, wie Mischungsverhältnis, Lösungsmittelwahl, thermisches Glühen, so dass Mini-Breitschlitzdüse zu screenen Beschichtung. Während des Druck Experiment, stellen Sie sicher, dass der Spritzenpumpe nicht ihre Grenze nicht überschreitet. Reinigen Sie den Kopf richtig von festen Ablagerungen im Inneren der Kopf Schlitze zu verfügen; andernfalls wird es das System verklemmen. Wenn man von einer Lösung zur anderen ändern, eine gründliche Reinigung durchführen; andernfalls kann eine Kreuzkontamination passieren. Das Photon aktives Polymer zeigt seine ausgeprägte Farbe, die als Indikator verwendet werden kann, als ob der Kopf vollständig gereinigt ist oder nicht. ve_content &quot;&gt; Die Minischlitz Schmelzbeschichter in verschiedenen Bereichen können Dünnschichtverarbeitung im Zusammenhang verwendet werden. In OPV Gerät Verarbeitung können neue Parameter einbezogen werden. Beispielsweise kann die Schlitzdüsenkopftemperatur gesteuert werden, und somit eine heiße Lösung Beschichtungs . erreicht werden das Substrat kann auch erhitzt werden;.. damit die Lösungsmittelverdampfungsrate fein abgestimmt werden kann Verschiedene Beschichtungsgeschwindigkeiten können auch verwendet werden, um die Scherrate zu variieren Morphologie zu steuern In den aktuellen Experimenten, nur mit den einfachsten Experiment ein hartes Substrat nachgewiesen wird. Plastic leitfähiger Substrate können flexible Vorrichtungen herzustellen verwendet werden. im Vergleich Beschichtung zu drehen, Minischlitzdüsenbeschichtung stellt eine Verarbeitung, die zur industriellen Herstellung ähnlich ist, die bei der Unterstützung der Optimierung Industrialisierung des OPV Technik kritisch ist. One große Einschränkung dieser Technik ist, dass die Vorrichtungsherstellung nicht kontinuierlich sein kann, was eine Rolle-zu-Rolle-Beschichtungsmaschine benötigen würde. jedoch ist der Minischlitzdüsenbeschichtung können schnellOptimierung der Verarbeitungsbedingungen und schnelle Materialscreening. Diese Beobachtungen liefern nützliche Erkenntnisse für die Rolle-zu-Rolle große Panel-Produktion.

Organische Photovoltaik (OPV) sind eine vielversprechende Technologie kosteneffizienter erneuerbarer Energien in naher Zukunft herzustellen. 1, 2, 3 Enorme Anstrengungen unternommen wurden , photoaktive Polymere und Herstellung hocheffizienten Geräte zu entwickeln. Bisher wurden einschichtige OPV Geräte eine&gt; 10% Wirkungsgrad der Leistungsumwandlung (PCE) erreicht. Diese Wirkungsgrade wurden im Labormaßstab Geräte unter Verwendung von Spin-Coating erreicht, den Film zu erzeugen und die Translation zu größeren Größenskala Geräte hat voll gewesen mit erheblichen Verringerungen der PCE. 4, 5 in der Industrie, Rolle-zu-Rolle (R2R) ist Dünnschicht basierende Beschichtung zu erzeugen Photonen aktiven Dünnschichten auf leitfähige Substrate verwendet werden, die ganz verschieden von typischen im Labormaßstab Prozessen, insbesondere in der Rate der Entfernung des Lösungsmittels. Dies ist kritisch, da die Morphologien sind kinisch gefangen, aus dem Zusammenspiel zwischen mehreren kinetischen Prozesse, einschließlich Phasentrennung, Ordnung, Orientierung und Lösungsmittelverdampfung. Obwohl 6, 7 Diese kinetisch eingeschlossener Morphologie, bestimmt weitgehend die Leistungsfähigkeit der Solarzelle Geräte. Damit der Morphologie während des Beschichtungsprozesses die Entwicklung zu verstehen, ist von großer Bedeutung für die Morphologie manipulieren, um die Leistung zu optimieren. Die Optimierung der Morphologie erfordert die Kinetik Verständnis mit der Ordnung des löcherleitenden Polymeren in Lösung assoziiert als Lösungsmittel entfernt wird; 8, 9 die Quantifizierung der Wechselwirkung des Polymers mit dem Fullerenbasierte Elektronenleiter; 10, 11, 12 , die Rollen von Additiven bei der Definition der morpho Verständnislogie; 13, 14, 15 und die relativen Raten der Verdampfung des Lösungsmittels (e) und Zusatzstoffe auszugleichen. 16 Es war eine Herausforderung , die Entwicklung der Morphologie quantitativ in der aktiven Schicht in einem industriell relevanten Einstellung zu charakterisieren. Roll-to-Roll-Verarbeitung ist für die Herstellung von großen OPV-Geräte untersucht. 4, 17 jedoch Diese Studien wurden in einer Herstellungseinstellung durchgeführt , wobei große Mengen an Materialien verwendet werden, wirkungsvoll Studien handelsübliche Polymere begrenzen. In diesem Dokument werden die technischen Details der OPV Vorrichtungen Herstellen eines Minischlitzdüsenbeschichtungssystem demonstriert. Beschichtungsparameter wie Filmtrocknungs Kinetik und Filmdickensteuerung sind auf größeren Maßstab Prozesse, so dass diese Studie in direktem Zusammenhang mit der Industrie fagewährleisten maximale. Außerdem ist eine sehr kleine Menge an Material in dem Minischlitzdüsenbeschichtungsversuch verwendet, diese Verarbeitung für neue synthetische Materialien. Konstruktiv kann dies Minischlitzdüsenbeschichtungsvorrichtung auf Synchrotron Endstationen montiert werden und somit streifendem Einfall Kleinwinkel-Röntgenstreuung (GISAXS) und Röntgenbeugung (GIXD) verwendet werden können Echtzeit-Studien über die Entwicklung zu ermöglichen, der Morphologie über einen breiten Bereich von Längenskalen in verschiedenen Stadien der Filmtrocknungsprozess unter einer Reihe von Verarbeitungsbedingungen. Information in diesen Studien erhaltenen kann direkt an einem industriellen Fertigungseinstellung übertragen werden. Die geringe Menge der verwendeten Materialien ermöglicht eine schnelle Screening einer großen Anzahl von photoaktiven Materialien und deren Mischungen unter verschiedenen Verarbeitungsbedingungen. Die halbkristallinen Diketopyrrolopyrrol und Quaterthiophen (DPPBT) basierten Low-Band konjugierten Polymeren wird als Modell Spendermaterial und (6,6) -phenyl C71-butyri verwendetc säuremethylester (PC 71 BM) als Elektronenakzeptor verwendet. 18, 19 Es ist in früheren Studien gezeigt , dass DPPBT: PC 71 BM - Mischungen große Phasentrennung bilden , wenn Chloroform als Lösungsmittel verwendet wird . A: Chloroform: 1,2-Dichlorbenzol Lösungsmittelgemisch, um die Größe der Phasentrennung zu verringern und somit die Leistung der Vorrichtung erhöhen. Die Morphologie Bildung während des Lösungsmitteltrocknungsprozess wird durch streifendem Einfall Röntgen in situ untersucht Beugung und Streuung. Solarzellen Vorrichtungen hergestellt unter Verwendung der Mini-Schlitzdüsenbeschichtungsvorrichtung mit einem durchschnittlichen PCE von 5,2% zeigte die besten Lösungsmittelgemisch Bedingungen mit, 20 , die ähnlich ist Spin-Beschichtung hergestellten Vorrichtungen. Der Minischlitz Schmelzbeschichter öffnet eine neue Route Solarzellenvorrichtungen in einer Forschungslaborumgebung herzustellen, die einen industriellen Prozess nachahmt, eine Lücke in der Vorhersage der Überlebensfähigkeit dieser Materialien in einem industriell rel Befüllenvanten Einstellung.

<table><tbody><tr><td>PC&lt;sub&gt;71&lt;/sub&gt;BM</td><td>Nano-C Inc</td><td>nano-c-PCBM-SF</td><td></td></tr><tr><td>DPPBT</td><td>The University of Massachusetts</td><td>Custom Made</td><td></td></tr><tr><td>PEDOT:PSS</td><td>Heraeus</td><td>P VP Al 4083</td><td></td></tr><tr><td>Mucasol Liquid Cleaner</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>Z637181</td><td></td></tr><tr><td>Acetone</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>270725</td><td></td></tr><tr><td>Isopropyl Alcohol</td><td>BDH</td><td>BDH1133</td><td></td></tr><tr><td>Chloroform</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>372978&amp;nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>1,2-dichlorobenzene</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>240664</td><td></td></tr><tr><td>Lithium fluoride</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>669431</td><td></td></tr><tr><td>Aluminum</td><td>Kurt Lesker</td><td>EVMAL50QXHD</td><td></td></tr><tr><td>Glass vials</td><td>Fisher Scientific</td><td>03-391-7B</td><td></td></tr><tr><td>Ultrasonic Cleaner</td><td>Cleanosonic</td><td>Branson 2800</td><td></td></tr><tr><td>Oven</td><td>WVR</td><td>414005-118</td><td></td></tr><tr><td>Cleaning Rack</td><td>Lawrence Berkeley National Lab</td><td>Custom Made</td><td></td></tr><tr><td>Shadow Mask</td><td>Lawrence Berkeley National Lab</td><td>Custom Made</td><td></td></tr><tr><td>UV-Ozone Cleaner</td><td>UVOCS INC</td><td>T16X16 OES</td><td></td></tr><tr><td>Glove Box</td><td>MBraun</td><td>Custom Made</td><td></td></tr><tr><td>Evaporator</td><td>MBraun</td><td>Custom Made</td><td></td></tr><tr><td>Slot Die Coater</td><td>Jema Science Inc</td><td>Custom Made</td><td></td></tr><tr><td>Solar Simulator</td><td>Newport</td><td>Class ABB</td><td></td></tr><tr><td>Spin Coater</td><td>SCS Equipment</td><td>SCS G3</td><td></td></tr><tr><td>Hot Plate</td><td>Thermo Scientific</td><td>SP131015Q</td><td></td></tr><tr><td>X-ray Measurement</td><td>Lawrence Berkeley National Lab</td><td>Beamline 7.3.3</td><td></td></tr></tbody></table>

printing fabrication of bulk heterojunction solar cells and in situ morphology characterization

Polymer-based materials hold promise as low-cost, flexible efficient photovoltaic devices. Most laboratory efforts to achieve high performance devices have used devices prepared by spin coating, a process that is not amenable to large-scale fabrication. This mismatch in device fabrication makes it difficult to translate quantitative results obtained in the laboratory to the commercial level, making optimization difficult. Using a mini-slot die coater, this mismatch can be resolved by translating the commercial process to the laboratory and characterizing the structure formation in the active layer of the device in real time and in situ as films are coated onto a substrate. The evolution of the morphology was characterized under different conditions, allowing us to propose a mechanism by which the structures form and grow. This mini-slot die coater offers a simple, convenient, material efficient route by which the morphology in the active layer can be optimized under industrially relevant conditions. The goal of this protocol is to show experimental details of how a solar cell device is fabricated using a mini-slot die coater and technical details of running in situ structure characterization using the mini-slot die coater.

Dargestellt in Figur 3 ist der Minischlitzdüsenbeschichtungssystem. Es besteht aus einer Beschichtungsmaschine, eine Spritzenpumpe und einem zentralen Schaltkasten. Die Beschichtungsmaschine ist der wesentliche Bestandteil, der aus einer Breitschlitzdüse Kopf hergestellt ist, eine horizontale Translationsstufe und eine vertikale Translationsstufe. Die Schlitzdüsenkopf ist mit der Basis eines vertikalen Translationsmotor über ein 2-D Neigungs Manipulator montiert ist. Figur 10a zeigt den Druckerhauptkörper ohne die Druckkopfbefestigungs , aus dem der 2-D Neigungs Manipulator markiert ist. Figur 10b zeigt die Montage des Druckkopfes an die 2-D Neigungs Manipulator. Figur 10c zeigt ein vergrößertes Bild von Druckkopf und Bodenplatte. Ein Kraftsensor ist in die vertikale Translationsstufe aufgebaut. In Experimenten wird die vertikale Translationsstufe verwendet Kopf-zu-Substrat-Abstand einzustellen, und die 2-D Neigungsmotor wird verwendet adjust der Kopf streng vertikal zu sein. Der Kraftsensor wird verwendet, um das Gewicht des Schlitzdüsenkopfsystem zu überwachen. Sobald der Kopf das Substrat berührt, wird ein Sprung von positiven Messwert zu einem negativen Lesen beobachtet werden, was auf die Kopfposition. Der Kopf wird auf die gewünschte Höhe nach oben einen gewissen Abstand zu geben. Während des Druckens ist der Schlitzdüsenkopf befestigt und die unteren bewegt sich horizontal Translationsstufe. Mit Flüssigkeit vom Kopf Schlitz abgegeben wird, kann ein gleichmäßiger Film erhalten werden. Es sollte erwähnt werden, dass beide Druckkopf und Substratplatte Temperaturkontrollsysteme verfeinert. Ein Temperaturbereich von Raumtemperatur bis 150 ° C kann während des Druckvorgangs für dieses System verwendet werden. 11a zeigt ein ITO - Substrat mit konjugierten Polymer beschichtet: PCBM mischt. Der Film ist sehr visuell glatt. Es ist zu beachten, dass der Anfang und das Ende der beschichteten Folie nicht immer einheitlich ist, aufgrund der Meniskus gebildet und dem Trocknungs von den Rändern. Wenn der su<html> bstrate lang genug ist oder wenn das Substrat in kontinuierlicher Weise beschichtet ist (wie bei einem R2R-Drucker) kann dieses Problem gelöst werden. Frisch beschichtete Substrat (Glas / ITO / PEDOT: PSS / aktive Schicht) wird in einem Vakuumofen über einen kurzen Zeitraum übertragen und dann in Schattenmasken geladen. Die Maske wird geladen in den Verdampfer zu Ablagerung Kathode dünne Schicht. Dargestellt in Figur 5 ist eine Lochmaske , die in dem Experiment verwendet wird. 11b zeigt eine fertige Vorrichtung nach der Kathodenschichtabscheidung. Die Leistung der Vorrichtung wird mittels eines Solarsimulators unter 100 mW / cm 02.00 1.5 Zustand verwendet wird . Gezeigt in Figur 12 ist eine repräsentative Strom-Spannungskurve eines Minischlitzes beschichteten Vorrichtung sterben. Eine durchschnittliche Leistungsumwandlungswirkungsgrad von 5,2% für Breitschlitzdüse beschichteten Vorrichtungen erreicht, die zu der durch Schleuderbeschichtung (~ 5,6% PCE) erreicht, liegt. 1 &quot;&gt; Die in situ GIXD und GISAXS Experimente sind nützliche Methoden , die Morphologie Entwicklung der gedruckten BHJ Tinte zu verfolgen. Das Polymer Kristallisation kann durch die GIXD Experiment und die Phasentrennung verfolgt werden kann durch GISAXS verfolgt werden. In Experimenten, die Mini-Schlitz Düsenbeschichtungsvorrichtung auf einem Goniometer innerhalb des Heliumkasten (13) montiert ist. die Kabelverbindung gekoppelt und somit wird, können die Instrumente außerhalb des Synchrotrons Stalles betrieben werden. in Fig 14 ist das Betriebszentrum an der Röntgenstrahllinien . die obere linke Computer steuert die beamline Parameter, der Zentralrechner der beamline Bedienoberfläche ist, die die Röntgenschieber und zeichnet Daten steuert, die linke Computer für zwei Überwachungskamera das analoge Fenster im Inneren des Stalles ist, konzentriert man sich auf der Probenposition und eine konzentriert sich auf die Schlitzdüsenkopf Schlitz und somit kann die Lösung Status zu überwachen, in der unteren linken Computer läuft horizontale und vertikale translatorische Hirsche-Motor-Software und Spritzenpumpe Steuerungssoftware. Gezeigt in Figur 15 ist ein typischer in situ grazing incidence Kleinwinkelstreuexperiment während der Lösungsmitteltrocknung. Die zeitliche Entwicklung ist farbcodiert. In der früheren Stufe der Trocknung (ein Überschuss an Lösungsmittel vorhanden), wird eine rote Streukurve zu sehen ist, und mischt sich gut gemischt. Ein Streu - Peak allmählich auf etwa 0,02 A -1 entwickelt, was auf eine ~ 60 nm von Phasentrennung. Diese Information, wenn sie mit in situ GIXD Ergebnisse, wird uns sagen , die Kinetik der Polymerkristallisation und Phasentrennung. <img alt="Abbildung 1" src="/files/ftp_upload/53710/53710fig1.jpg" /> Abbildung 1: Chemische Struktur von konjugierten Polymers DPPBT und chemisch modifizierte Fulleren PC 71 BM in dieser Studie verwendet. <a href="https://ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/53710/53710fig1large.jpg" target="_blank">bitte klicken</a>hier, um eine größere Version dieser Figur sehen. <img alt="Figur 2" src="/files/ftp_upload/53710/53710fig2.jpg" /> Abbildung 2: 1/3 entfernt ITO - Substrate und Teflon - Rack in ITO Glasreinigung eingesetzt. <a href="https://ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/53710/53710fig2large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier</a> , um <a href="https://ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/53710/53710fig2large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <img alt="Figur 3" src="/files/ftp_upload/53710/53710fig3.jpg" /> Abbildung 3: (a) Hauptkörper des Mini-slot Schmelzbeschichter. Der Druckkopf ist auf dem Verkippen Manipulator montiert. Die beiden Knöpfe über dem Schlitzdüsenkopf verwendet werden, der den Druckkopf nur kippen. Eine runde Form Schrittmotor montiert ist, vertikal vertikale Bewegung des Druckkopfes zu liefern. Die wichtigsten horizontalen Translationsstufe ist auf der Fußleiste befestigt linear zur Verfügung zu stellenBewegung zur Beschichtung der Folie. Beide Druckkopf und Substratbasis kann beheizt werden. (B) Schaltkasten mit Spritzenpumpe montiert an der Spitze. Der linke Würfel ist die Steuerung für die vertikale Motor; der mittlere Würfel ist die horizontale Motorsteuerung; die richtigen drei Platten sind Temperaturregler für den Kopf (oben), Temperaturregler für die Basis (Mitte) und Kraftsensor. <a href="https://ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/53710/53710fig3large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier</a> , um <a href="https://ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/53710/53710fig3large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <img alt="Abbildung 4" src="/files/ftp_upload/53710/53710fig4.jpg" /> Abbildung 4: Mini-Breitschlitzdüse Druckermotor Steuerung Software - Schnittstellen. (A) Haupt Software - Schnittstelle: die vertikale Schrittmotorsteuerungssoftware auf der Oberseite und lineare Translationsmotor - Software ist im Boden; (B) Geschwindigkeitseinstellung und BeschleunigungEinstellung Schnittstelle sowohl für vertikale und horizontale Translationsmotor; (C) Position für die horizontale Translationsmotoreinstellung. <a href="https://ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/53710/53710fig4large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier</a> , um <a href="https://ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/53710/53710fig4large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <img alt="Abbildung 5" src="/files/ftp_upload/53710/53710fig5.jpg" /> Abbildung 5: Schattenmaske in der Kathodenschichtabscheidung verwendet. Vorrichtungssubstrate werden in die Schnittfläche der Maske geladen werden. Die Maske wird auf der Verdampfungskammer montiert werden, und Elektrodenmetall wird durch den Schnitt Rechteck Bereiche abgeschieden werden. <a href="https://ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/53710/53710fig5large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier</a> , um <a href="https://ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/53710/53710fig5large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <img alt="Figur 6" src="/files/ftp_upload/53710/53710fig6.jpg" /> &lt;br /&gt; Abbildung 6: (a) Verdampfer und Elektroden Stollen Layout. Im Betrieb Tantalmetall Boot in-zwischen Elektrode Bolzen montiert werden. Elektrodenmetall wird in Boot geladen werden; und elektrischer Strom wird das Boot zu thermisch verdunsten Elektrode Metall erhitzen. (B) Verdampfer - Steuerschnittstelle. <a href="https://ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/53710/53710fig6large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier</a> , um <a href="https://ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/53710/53710fig6large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <img alt="7" src="/files/ftp_upload/53710/53710fig7.jpg" /> Abbildung 7: Standard photovoltaischen Meßsystems. (A) Solarsimulator; (B) Sonnensimulator - Controller; (C) Sonnensimulator Flussregler. <a href="https://ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/53710/53710fig7large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier</a> , um <a href="https://ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/53710/53710fig7large.jpg" target="_blank">eine größere Version zu sehen</a><html> diese Figur. <img alt="Abbildung 8" src="/files/ftp_upload/53710/53710fig8.jpg" /> Abbildung 8: streifenden Einfall Röntgenbeugungsexperimenten Helium - Box verwenden. Das Helium-Box verwendet, um eine experimentelle Atmosphäre zu erzeugen, die weniger Luftstreuung aufweist. Schlitzdüsen Drucker ist im Inneren des Helium-Box während Experiment installiert. <a href="https://ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/53710/53710fig8large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier</a> , um <a href="https://ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/53710/53710fig8large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <img alt="9" src="/files/ftp_upload/53710/53710fig9.jpg" /> Abbildung 9: Die Synchrotron - Beamline Control Software - Schnittstelle. Diese Schnittstelle steuert die beamline Experiment. Das linke Feld wird verwendet, um Proben auszurichten; die rechte Tafel steuert die Röntgenbelichtungszeit, Testnamen und zeigt das Streusignal.<html> : //ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/53710/53710fig9large.jpg &quot;Target =&quot; _ blank &quot;&gt; Bitte hier klicken, um eine größere Version dieser Figur zu sehen. <img alt="10" src="/files/ftp_upload/53710/53710fig10.jpg" /> Abbildung 10: Mini-Breitschlitzdüse Drucker große Teile vergrößert. (A) Hauptkörper des Schlitzdüsenbeschichtungsvorrichtung. Ein vertikaler Motor ist mit einer Wägezelle Kraftsensor gekoppelt ist und auf eine vertikale Manipulator integriert. Ein 2-D Neigungs Manipulator auf der vertikalen Manipulator montiert ist. (B) Der Druckkopf, der auf die 2-D Neigungs Manipulator montiert ist. (C) Vergrößern Abbildung des Druckkopfes. Der Kopf ist sehr nah an dieser Stelle auf Grundplatte. <a href="https://ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/53710/53710fig10large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier</a> , um <a href="https://ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/53710/53710fig10large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> re 11 &quot;src =&quot; / files / ftp_upload / 53710 / 53710fig11.jpg &quot;/&gt; Abbildung 11: Photon aktive Schicht beschichteten Substrat (links) und abgeschlossen Geräte nach Kathodenschichtabscheidung (rechts). <a href="https://ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/53710/53710fig11large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier</a> , um <a href="https://ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/53710/53710fig11large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <img alt="12" src="/files/ftp_upload/53710/53710fig12.jpg" /> Abbildung 12: Strom-Spannungs - Kurve der Breitschlitzdüse beschichteten Vorrichtung. Kurzschlussstrom, Leerlaufspannung kann von den kurvenAchsenAbschnitte gelesen werden. <a href="https://ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/53710/53710fig12large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier</a> , um <a href="https://ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/53710/53710fig12large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <img alt="13" src="/files/ftp_upload/53710/53710fig13.jpg" /> Abbildung 13: </<html> strong&gt; Mini-Slot - Die - Coater innerhalb Helium - Box in Synchrotron - Station geladen. (A) Frontansicht; (B) Seitenansicht. Optischen Interferometers angebracht ist, die Dicke des beschichteten Films zu überwachen. <a href="https://ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/53710/53710fig13large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier</a> , um <a href="https://ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/53710/53710fig13large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <img alt="14" src="/files/ftp_upload/53710/53710fig14.jpg" /> Abbildung 14: Steuerungssystem von In-situ - Minischlitzdüsenbeschichtung Experiment in Advanced Light Source Strahlrohr 7.3.3. Jede Schnittstelle ist in der Figur markiert. <a href="https://ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/53710/53710fig14large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier</a> , um <a href="https://ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/53710/53710fig14large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> 3710fig15.jpg &quot;/&gt; Abbildung 15: Typische GISAXS Morphologie Evolution. Die Kurvenanpassung ist notwendig, um die Informationen von Phasentrennungen erhalten. <a href="https://ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/53710/53710fig15large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier</a> , um <a href="https://ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/53710/53710fig15large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a>

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Druckherstellung von Massen-Heteroübergangssolarzellen und In-situ-Morphologiecharakterisierung | Ingenieurwesen | Video

Printing Fabrication of Bulk Heterojunction Solar Cells and In Situ Morphology Characterization

Hier präsentieren wir ein Protokoll organischen Dünnschicht-Solarzellen herzustellen mit einem Minischlitzdüsenbeschichtungsvorrichtung und der damit verbundenen In-line-Struktur Charakterisierungen Synchrotron Streuung Techniken.

Printing Herstellung von Bulk-Heterosolarzellen und<em&gt; In Situ</em&gt; Morphologie Charakterisierung

Polymer-based materials hold promise as low-cost, flexible efficient photovoltaic devices. Most laboratory efforts to achieve high performance devices ...

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Serie: Printing Fabrication of Bulk Heterojunction Solar Cells and In Situ Morphology Characterization

Using Neutron Spin Echo Resolved Grazing Incidence Scattering to Investigate Organic Solar Cell Materials

The spin echo resolved grazing incidence scattering (SERGIS) technique has been used to probe the length-scales associated with irregularly shaped crystallites. Neutrons are passed through two well defined regions of magnetic field; one before and one after the sample. The two magnetic field regions have opposite polarity and are tuned such that neutrons travelling through both regions, without being perturbed, will undergo the same number of precessions in opposing directions. In this case the neutron precession in the second arm is said to &#34;echo&#34; the first, and the original polarization of the beam is preserved. If the neutron interacts with a sample and scatters elastically the path through the second arm is not the same as the first and the original polarization is not recovered. Depolarization of the neutron beam is a highly sensitive probe at very small angles (&#60;50&#160;&#956;rad) but still allows a high intensity, divergent beam to be used. The decrease in polarization of the beam reflected from the sample as compared to that from the reference sample can be directly related to structure within the sample.
In comparison to scattering observed in neutron reflection measurements the SERGIS signals are often weak and are unlikely to be observed if the in-plane structures within the sample under investigation are dilute, disordered, small in size and polydisperse or the neutron scattering contrast is low. Therefore, good results will most likely be obtained using the SERGIS technique if the sample being measured consist of thin films on a flat substrate and contain scattering features that contains a high density of moderately sized features (30 nm to 5 &#181;m) which scatter neutrons strongly or the features are arranged on a lattice. An advantage of the SERGIS technique is that it can probe structures in the plane of the sample.

Progress has been made in utilizing spin echo resolved grazing incidence scattering (SERGIS) as a neutron scattering technique to probe the length-scales in irregular samples. Crystallites of [6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester have been probed using the SERGIS technique and the results confirmed by optical and atomic force microscopy.

Mit Neutron Spin Echo Gelöste Grazing Incidence Scattering zur Untersuchung organischer Solarzellenmaterialien

The spin echo resolved grazing incidence scattering (SERGIS) technique has been used to probe the length-scales associated with irregularly shaped ...

Forschung

Ingenieurwesen

Making Record-efficiency SnS Solar Cells by Thermal Evaporation and Atomic Layer Deposition

Tin sulfide (SnS) is a candidate absorber material for Earth-abundant, non-toxic solar cells. SnS offers easy phase control and rapid growth by congruent thermal evaporation, and it absorbs visible light strongly. However, for a long time the record power conversion efficiency of SnS solar cells remained below 2%. Recently we demonstrated new certified record efficiencies of 4.36% using SnS deposited by atomic layer deposition, and 3.88% using thermal evaporation. Here the fabrication procedure for these record solar cells is described, and the statistical distribution of the fabrication process is reported. The standard deviation of efficiency measured on a single substrate is typically over 0.5%. All steps including substrate selection and cleaning, Mo sputtering for the rear contact (cathode), SnS deposition, annealing, surface passivation, Zn(O,S) buffer layer selection and deposition, transparent conductor (anode) deposition, and metallization are described. On each substrate we fabricate 11 individual devices, each with active area 0.25 cm2. Further, a system for high throughput measurements of current-voltage curves under simulated solar light, and external quantum efficiency measurement with variable light bias is described. With this system we are able to measure full data sets on all 11 devices in an automated manner and in minimal time. These results illustrate the value of studying large sample sets, rather than focusing narrowly on the highest performing devices. Large data sets help us to distinguish and remedy individual loss mechanisms affecting our devices.

Tin sulfide (SnS) is a candidate material for Earth-abundant, non-toxic solar cells. Here, we demonstrate the fabrication procedure of the SnS solar cells employing atomic layer deposition, which yields 4.36% certified power conversion efficiency, and thermal evaporation which yields 3.88%.

Erstellen Rekordeffizienz SnS Solarzellen durch thermische Verdampfung und Atomic Layer Deposition

Tin sulfide (SnS) is a candidate absorber material for Earth-abundant, non-toxic solar cells. SnS offers easy phase control and rapid growth by congruent ...

Integration of Light Trapping Silver Nanostructures in Hydrogenated Microcrystalline Silicon Solar Cells by Transfer Printing

One of the potential applications of metal nanostructures is light trapping in solar cells, where unique optical properties of nanosized metals, commonly known as plasmonic effects, play an important role. Research in this field has, however, been impeded owing to the difficulty of fabricating devices containing the desired functional metal nanostructures. In order to provide a viable strategy to this issue, we herein show a transfer printing-based approach that allows the quick and low-cost integration of designed metal nanostructures with a variety of device architectures, including solar cells. Nanopillar poly(dimethylsiloxane) (PDMS) stamps were fabricated from a commercially available nanohole plastic film as a master mold. On this nanopatterned PDMS stamps, Ag films were deposited, which were then transfer-printed onto block copolymer (binding layer)-coated hydrogenated microcrystalline Si (&#181;c-Si:H) surface to afford ordered Ag nanodisk structures. It was confirmed that the resulting Ag nanodisk-incorporated &#181;c-Si:H solar cells show higher performances compared to a cell without the transfer-printed Ag nanodisks, thanks to plasmonic light trapping effect derived from the Ag nanodisks. Because of the simplicity and versatility, further device application would also be feasible thorough this approach.

A viable transfer printing-based methodology to introduce plasmonic metal nanostructures in solar cells is described. Using nanopillar poly(dimethylsiloxane) stamps, an Ag-based ordered nanodisk array was integrated with standard hydrogenated microcrystalline Si solar cells, which led to improved device performances due to plasmonic light trapping.

Integration of Light Trapping Silber-Nanostrukturen in Hydrogenated Microcrystalline Silicon Solar Cells durch Transferdruck

One of the potential applications of metal nanostructures is light trapping in solar cells, where unique optical properties of nanosized metals, commonly ...

Digital Printing of Titanium Dioxide for Dye Sensitized Solar Cells

Silicon solar cell manufacturing is an expensive and high energy consuming process. In contrast, dye sensitized solar cell production is less environmentally damaging with lower processing temperatures presenting a viable and low cost alternative to conventional production. This paper further enhances these environmental credentials by evaluating the digital printing and therefore additive production route for these cells. This is achieved here by investigating the formation and performance of a metal oxide photoelectrode using nanoparticle sized titanium dioxide. An ink-jettable material was formulated, characterized and printed with a piezoelectric inkjet head to produce a 2.6 &#181;m thick layer. The resultant printed layer was fabricated into a functioning cell with an active area of 0.25 cm2 and a power conversion efficiency of 3.5%. The binder-free formulation resulted in a reduced processing temperature of 250 &#176;C, compatible with flexible polyamide substrates which are stable up to temperatures of 350 &#730;C. The authors are continuing to develop this process route by investigating inkjet printing of other layers within dye sensitized solar cells.

This paper investigates the suitability of inkjet printing for the manufacturing of dye-sensitized solar cells. A binder-free TiO2 nanoparticle ink was formulated and printed onto a FTO glass substrate. The printed layer was fabricated into a cell with an active area of 0.25 cm2 and an efficiency of 3.5%.

Digitaldruck von Titandioxid für farbstoffsensibilisierte Solarzellen

Silicon solar cell manufacturing is an expensive and high energy consuming process. In contrast, dye sensitized solar cell production is less ...

Fabrication of Fully Solution Processed Inorganic Nanocrystal Photovoltaic Devices

We demonstrate a method for the preparation of fully solution processed inorganic solar cells from a spin and spray coating deposition of nanocrystal inks. For the photoactive absorber layer, colloidal CdTe and CdSe nanocrystals (3-5 nm) are synthesized using an inert hot injection technique and cleaned with precipitations to remove excess starting reagents. Similarly, gold nanocrystals (3-5 nm) are synthesized under ambient conditions and dissolved in organic solvents. In addition, precursor solutions for transparent conductive indium tin oxide (ITO) films are prepared from solutions of indium and tin salts paired with a reactive oxidizer. Layer-by-layer, these solutions are deposited onto a glass substrate following annealing (200-400 &#176;C) to build the nanocrystal solar cell (glass/ITO/CdSe/CdTe/Au). Pre-annealing ligand exchange is required for CdSe and CdTe nanocrystals where films are dipped in NH4Cl:methanol to replace long-chain native ligands with small inorganic Cl- anions. NH4Cl(s) was found to act as a catalyst for the sintering reaction (as a non-toxic alternative to the conventional CdCl2(s) treatment) leading to grain growth (136&#177;39 nm) during heating. The thickness and roughness of the prepared films are characterized with SEM and optical profilometry. FTIR is used to determine the degree of ligand exchange prior to sintering, and XRD is used to verify the crystallinity and phase of each material. UV/Vis spectra show high visible light transmission through the ITO layer and a red shift in the absorbance of the cadmium chalcogenide nanocrystals after thermal annealing. Current-voltage curves of completed devices are measured under simulated one sun illumination. Small differences in deposition techniques and reagents employed during ligand exchange have been shown to have a profound influence on the device properties. Here, we examine the effects of chemical (sintering and ligand exchange agents) and physical treatments (solution concentration, spray-pressure, annealing time and annealing temperature) on photovoltaic device performance.

This protocol describes the synthesis and solution deposition of inorganic nanocrystals layer by layer to produce thin film electronics on non-conductive surfaces. Solvent-stabilized inks can produce complete photovoltaic devices on glass substrates via spin and spray coating following post-deposition ligand exchange and sintering.

Die Herstellung von Voll Lösung verarbeitet Anorganische Nanokristalline Photovoltaik-Anlagen

We demonstrate a method for the preparation of fully solution processed inorganic solar cells from a spin and spray coating deposition of nanocrystal ...

Influence of Hybrid Perovskite Fabrication Methods on Film Formation, Electronic Structure, and Solar Cell Performance

Hybrid organic/inorganic halide perovskites have lately been a topic of great interest in the field of solar cell applications, with the potential to achieve device efficiencies exceeding other thin film device technologies. Yet, large variations in device efficiency and basic physical properties are reported. This is due to unintentional variations during film processing, which have not been sufficiently investigated so far. We therefore conducted an extensive study of the morphology and electronic structure of a large number of CH3NH3PbI3 perovskite where we show how the preparation method as well as the mixing ratio of educts methylammonium iodide and lead(II) iodide impact properties like film formation, crystal structure, density of states, energy levels, and ultimately the solar cell performance.

We present an extensive study on the effects of different fabrication methods for organic/inorganic perovskite thin films by comparing crystal structures, density of states, energy levels, and ultimately the solar cell performance.

Einfluss von Hybrid Perowskit-Herstellungsverfahren auf Filmbildung, Elektronische Struktur und Leistung der Solarzelle

Hybrid organic/inorganic halide perovskites have lately been a topic of great interest in the field of solar cell applications, with the potential to ...

Chemie

Morphology Control for Fully Printable Organic&#8211;Inorganic Bulk-heterojunction Solar Cells Based on a Ti-alkoxide and Semiconducting Polymer

The photoactive layer of a typical organic thin-film bulk-heterojunction (BHJ) solar cell commonly uses fullerene derivatives as the electron-accepting material. However, fullerene derivatives are air-sensitive; therefore, air-stable material is needed as an alternative. In the present study, we propose and describe the properties of Ti-alkoxide as an alternative electron-accepting material to fullerene derivatives to create highly air-stable BHJ solar cells. It is well-known that controlling the morphology in the photoactive layer, which is constructed with fullerene derivatives as the electron acceptor, is important for obtaining a high overall efficiency through the solvent method. The conventional solvent method is useful for high-solubility materials, such as fullerene derivatives. However, for Ti-alkoxides, the conventional solvent method is insufficient, because they only dissolve in specific solvents. Here, we demonstrate a new approach to morphology control that uses the molecular bulkiness of Ti-alkoxides without the conventional solvent method. That is, this method is one approach to obtain highly efficient, air-stable, organic-inorganic bulk-heterojunction solar cells.

A method for fully printable, fullerene-free, highly air-stable, bulk-heterojunction solar cells based on Ti alkoxides as the electron acceptor and the electron-donating polymer fabrication is described here. Moreover, a method for controlling the morphology of the photoactive layer through the molecular bulkiness of the Ti-alkoxide units is reported.

Morphologie-Steuerung für Volldruck organisch-anorganische Masse-Heterosolarzellen Basierend auf einem Ti-Alkoxid und halbleitendes Polymer

The photoactive layer of a typical organic thin-film bulk-heterojunction (BHJ) solar cell commonly uses fullerene derivatives as the electron-accepting ...

Developing High Performance GaP/Si Heterojunction Solar Cells

To improve the efficiency of Si-based solar cells beyond their Shockley-Queisser limit, the optimal path is to integrate them with III-V-based solar cells. In this work, we present high performance GaP/Si heterojunction solar cells with a high Si minority-carrier lifetime and high crystal quality of epitaxial GaP layers. It is shown that by applying phosphorus (P)-diffusion layers into the Si substrate and a SiNx layer, the Si minority-carrier lifetime can be well-maintained during the GaP growth in the molecular beam epitaxy (MBE). By controlling the growth conditions, the high crystal quality of GaP was grown on the P-rich Si surface. The film quality is characterized by atomic force microscopy and high-resolution x-ray diffraction. In addition, MoOx was implemented as a hole-selective contact that led to a significant increase in the short-circuit current density. The achieved high device performance of the GaP/Si heterojunction solar cells establishes a path for further enhancement of the performance of Si-based photovoltaic devices.

Here, we present a protocol to develop high-performance GaP/Si heterojunction solar cells with a high Si minority-carrier lifetime.

Entwicklung von Hochleistungs-Lücke/Si Heterojunction Solarzellen

To improve the efficiency of Si-based solar cells beyond their Shockley-Queisser limit, the optimal path is to integrate them with III-V-based solar ...

Inkjet Printing All Inorganic Halide Perovskite Inks for Photovoltaic Applications

A method for synthesizing photoactive inorganic&#160;perovskite quantum dot inks and an inkjet printer deposition method, using the synthesized inks, are demonstrated. The ink synthesis is based on a simple wet chemical reaction and the inkjet printing protocol is a facile step by step method. The inkjet printed thin films have been characterized by X-ray diffraction, optical absorption spectroscopy, photoluminescent spectroscopy, and electronic transport measurements. X-ray diffraction of the printed quantum dot films indicates a crystal structure consistent with an orthorhombic room temperature phase with (001) orientation. In conjunction with other characterization methods, the X-ray diffraction&#160;measurements show high quality films can be obtained through the inkjet printing method.

A protocol for synthesizing inorganic-lead-halide hybrid perovskite quantum dot inks for inkjet printing and the protocol for preparing and printing the quantum dot inks in an inkjet printer with post characterization techniques are presented.

Inkjet-drucken alle anorganischen Halogenid-Perowskit-Tinten für photovoltaische Anwendungen

A method for synthesizing photoactive inorganic&#160;perovskite quantum dot inks and an inkjet printer deposition method, using the synthesized inks, are ...

In situ Grazing Incidence Small Angle X-ray Scattering on Roll-To-Roll Coating of Organic Solar Cells with Laboratory X-ray Instrumentation

We present an in-house, in situ Grazing Incidence Small Angle X-ray Scattering (GISAXS) experiment, developed to probe the drying kinetics of roll-to-roll slot-die coating of the active layer in organic photovoltaics (OPVs), during deposition. For this demonstration, the focus is on the combination of P3HT:O-IDTBR and P3HT:EH-IDTBR, which have different drying kinetics and device performance, despite their chemical structure only varying slightly by the sidechain of the small molecule acceptor. This article provides a step-by-step guide to perform an in situ GISAXS experiment and demonstrates how to analyze and interpret the results. Usually, performing this type of in situ X-ray experiments to investigate the drying kinetics of the active layer in OPVs relies on access to synchrotrons. However, by using and further developing the method described in this paper, it is possible to perform experiments with a coarse temporal and spatial resolution, on a day-to-day basis to gain fundamental insight in the morphology of drying inks.

This paper is a demonstration and a guideline to perform and analyze in-house (with a laboratory X-ray instrument) in situ GISAXS experiments of drying inks on roll-to-roll slot-die coated, non-fullerene organic photovoltaics.

We present an in-house, in situ Grazing Incidence Small Angle X-ray Scattering (GISAXS) experiment, developed to probe the drying kinetics of roll-to-roll ...

Printing Herstellung von Bulk-Heterosolarzellen und

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