Автопортал || Авто - статьи

Сельскохозяйственная техника
Чтение RSS

A 3D-printed Chamber for Organic Optoelectronic Device Degradation Testing

Струм напруга вимірювання:

Ця камера призначена для тестування повітря чутливих діод пристрої, наприклад органічної або перовскита сонячних батарей або світловипромінювальних діодів. Вона може виступати як багаторазові, тимчасові інкапсуляції або як метод введення забруднюючих речовин для тестування контрольованих деградації. Щільність струму високовольтні (СП) кривих, показаний тут були виміряні за допомогою ZIF тест Рада надає БМУ під темні (тобто, без освітлення) і світлові умови для вилучення базових діод характеристики. Поєднавши контакти з камери до плати ZIF, кожен піксель може вирішуватися індивідуально. У прикладі даних нижче Стандартний нижньої палати, без газу портів, віддрукованих з 50% щільність НВАК пластик був використовується для перевірки органічних сонячних батарей, за допомогою конфігурації 6-пікселів. У цих органічних пристроїв «піксель» відноситься до окремих діод, яка може бути виміряна за допомогою установки вимірювання. Використовуючи наданий Python програм в папці Вимірювання коду IV (знайдені в Додаткової інформації), такі криві були досягнуті на один піксель від органічних пристроїв з архітектурою пристрої Іто / PEDOT: PSS / P3HT: PCBM / Др. Деталі для виробництва пристроїв можна знайти в другіх16.

Малюнок 12 представляє очікуваний СП криві однією доброю робочої органічних фотоелектричних пристроїв в темряві і при освітленні. Зверніть увагу, що для отримання щільність струму (J), вольт амперних кривих, які є вихідними з програми Python BasicIV.py були розділені на Площа виміряної діод. Для нашої діоди це було близько 1,2 мм 2. На малюнку 12 показано поведінку одного діода в камері, з хорошим ПІН контакт з електрода колодки. Всі чотири Пікселі, які є вимірюваними в такій конфігурації показують подібну поведінку. Робоча органічних діод, який не знижується повинен показати випрямляючи поведінку, низький сигнал до шуму і експоненціальне зростання в поточному після прикладена напруга близько 1 V в умовах темряви; при освітленні він повинен мати аналогічні діода, які характеристики як в темряві, компенсується індукованих фототока2,16. Для порівняння Рисунок 12 також показує криві СП для одного пікселя від одного пристрою, інкапсульований за допомогою мікроскопа над активною області (тобто, червоний контур області від Малюнок 4, запечатаний з низького вакууму герметизації епоксидної Після початкового випробування в камері). Зверніть увагу, що в камері, є свідчення вищих опору контакту як показано зменшення коефіцієнта заполненія17 [крива стає менш «площа» через схилу навколо короткого замикання поточного (scJ) 18 і відкритої ланцюга напруга (Voc)] 19. Це можна пояснити високим опором контакту зонда пристрою в залі, в порівнянні з пристрою, досліджували безпосередньо за допомогою вимірювання Совета20. Це повинно бути можливим зменшити опір втрат значно через краще пайки і Електромонтаж конструкцій. У разі деградованих функціонуючі або погано зв'язався органічних пристрій, ми б не побачити діод як кривої, як показано на малюнку 12 c. Такі криві, як правило, мають низький струм вимірювань, що не випрямляючи поведінку і високе співвідношення сигнал шум, зазначенням «шуму» або відкрити контакт. Короткого замикання, таких як би статися, якщо було прямих контактів між топ металевим електродом і Іто електрода на дні, буде продемонстрована прямій лінії схилу пропорційнаопору через контакт (Малюнок 12д).

Малюнок 12: порівняння IV
Малюнок 12: порівняння IV. Ці панелі показують кривих вимірювання щільності струму високовольтні (СП) пристрій стандартного органічних сонячних батарей всередині камери і той же пристрій инкапсулируются і звернутися безпосередньо до плати ZIF через вбудований шпильки () в темний час доби (тобто, не під освітлення) і (b) під освітлення за допомогою джерела світла лабораторії, показані очікуване поведінка діода. (C) Ця група показує IV вимір кривої стандартного органічних сонячних батарей пристрою не під освітлення показані деградованих або безконтактний поведінку. (D) група показує крива вимірювання IV діод коротке замикання пристрою не під освітлення. Будь ласка, натисніть тут, щоб подивитися велику версію цієї фігури.

Ефективність випробувань камери:

Ця палата покликана діяти в якості тимчасової, багаторазові стабільної обстановки з контрольованих властивостей (включаючи вологість, введення газу і температури). Щоб визначити ефективність атмосферних камер, вони характеризуються двома способами: за допомогою органічних сонячних батарей пристрій, що використовується для демонстрації вольт амперних випробувань швидкість передачі водяної пари, за допомогою датчика вологості і пристрої деградації вимірювання в попередньому розділі.

СПВП тести:

Одним з найважливіших факторів у деградації пристроїв є проникнення води в устройство21,22. Для забезпечення довгострокової стабільності пристрій, хороша інкапсуляції органічних пристроїв повинні мати 10-4 - 10-6 г / м2 / день води попаданіе12,13. Оскільки ця палата покликана бути контрольованому середовищі для тестування цілей, а не довгострокового зберігання або інкапсуляція метод, вимоги до ефективної палата не настільки строго. Швидше камери повинні бути в змозі підтримувати властивості пристрою в розумні терміни для даного експериментального стану. Основний метод характеризують потрапляння водяної пари і використовувати час камери є водяна пара передачі швидкість (СПВП) 21.

СПВП може набувати різних значень залежно від умов, при яких вимірюється і одиниць, які іспользуются23. Для цілей цього вкладу СПВП визначається за допомогою вимірювання відносної вологості ізмененія24, схожий на тест гравиметрических Кубок23. Через складність шляху потрапляння вологи в камері, повинні використовуватися зміни маси водяної пари, досягнувши датчик, нормалізується один відсоток різниці (виражене у вигляді дробу від 0 - 1) відносної вологості через кордони, адаптовано з методу Баша і ін. 25.

(1) (1)

тут тут   представляє швидкість зміни щодо часу маси водяної пари, що міститься в камері, і   різниця у відносній вологості всередині і за межами камери представляє швидкість зміни щодо часу маси водяної пари, що міститься в камері, і різниця у відносній вологості всередині і за межами камери. Такий підхід дає одиниць для СПВП маси за одиницю часу.

У цьому рівнянні мається на увазі припущення, що швидкість проникнення парів води пропорційна відносної вологості різниця між всередині і за межами камери. Це припущення приводить до наступних диференціальне рівняння:

(2) (2)

тут тут   є обсяг камери, (почерпнуто з 3D-моделей), і   записується насичення щільність водяної пари при температурі під час тесту є обсяг камери, (почерпнуто з 3D-моделей), і записується насичення щільність водяної пари при температурі під час тесту.

Рішення цього рівняння і підставляючи його в первісний стан 0% вологості в камері (забезпечується залишаючи камеру в бардачком> 24 h), керівних рівняння цих експериментів, як показано нижче, можна знайти.

(3) (3)

При проведенні тесту вологість, відносна вологість читаннях були прийняті одночасно з всередині і зовні камери 3D-друку. Після того, як ці дані було скомпільовано, він був змову проти часу, t, як показано на рис. 13А. Лінійна регресія використовувалася для розрахунку СПВП від схилу кращих підходять лінії.

У цьому тесті був використаний 50% щільність друку 3D-друковані пластикові НВАК. Тест виконувався протягом 4 год, що призводить до СПВП 270 мкг / день (R2 = 0.985). Це висока, в порівнянні з вимогами хороше органічне пристрій герметіком12,13, але це досить, щоб звести до мінімуму погіршення стану пристрою для електричні випробування триває кілька часов21 (див. Наступний розділ, пристрої Деградації тест). Навпаки, витік камеру, як показано на рис. 13b мав СПВП 855 мкг / день (R2 = 0,99).

Швидкість, з якою вологи входить камера визначається коефіцієнт дифузії найбільш проникних матеріалов23. Припускаючи, що ж герметизації умови, різні матеріали для стін камери принесе різні значення СПВП. Результати за кілька представницьких матеріалів і умов коротко викладаються в таблиці 1. Типовий PLA палата має високий СПВП ніж еквівалент камери, оброблені з металла10. Припускаючи, пропорційної взаємозв'язку між деградацією СПВП і пристрої, ми можемо оцінити час зберігання до 80% втрати первісного продуктивності (T80) 6,8 для тестування пристроїв, за допомогою цієї камери як базовий рівень для вологи ступінь ущільнення. Це може дати приблизну оцінку часу юзабіліті для камери в даній конфігурації. В таких умовах 50% щільність PLA камери повинні бути в змозі зберігати зразок без істотних втрат для близько 3 днів. Це контрастує з істинною инкапсуляцией, де значні продуктивності спостерігалася після більш ніж двох тижнів зберігання в умовах навколишнього середовища.

Це також можливо розширити вікно використання часу для камери, пропускаючи інертного газу, таких як N2. У такій конфігурації, СПВП для камери PLA 50% скоротилося до нижче межі виявлення датчика (див. Рис. 13b). З мінімальним виявлення ~ 0,1% відносна вологість зміна, яке передбачає СПВП менш 0,13 мкг / добу, з значним збільшенням кошторисних зберігання часу. Однак попередні дослідження показалі10,27, які зразки у бардачком T90 близько 6 тижнів. Як ця конфігурація камери потоку газу порівнянна з бардачком середовищі інертного газу, це більш ймовірно, верхня межа для зберігання проб. Для визначення більш точною мірою СПВП для такої низький рівень потрапляння води, слід використовувати більш чутливим тестом таких випробувань електричних кальція28 дати більш точну оцінку.

Якщо подальші випробування палат, датчик кисню можуть бути поміщені в камеру і рівень кисню може контролюватися з часом дати швидкість передачі кисню (OTR), який можна порівняти з СПВП.

МатеріалDRHint (загальна тривалість тесту)СПВП (мг / день)Розрахунковий пристрій зберігання часу (днів)50% щільність пла

1.80% 271 ± 30 3.3 50% щільність PLA (витік) 4.70% 855 ± 90 1 50% щільність НВАК з N2 потоку > 7000 Водостійкий полімер 9,00% 3064 ± 300 0.29 Метал 1 - 90 * 10 * виправлені для зовнішніх відносна вологість 1 Різ, і ін [10]

Таблиця 1: результати дещо представника матеріали для герметизації умов і стіни камери. Ця таблиця ілюструє загальну зміну внутрішньої відносної вологості повітря і водяної пари швидкість передачі для камер різних матеріалів і в різних умовах.

Малюнок 13: швидкість передачі водяної пари ділянок
Малюнок 13: швидкість передачі водяної пари ділянок. () Ця група показує зміни відносної вологості використовується для визначення СПВП, використовуючи рівняння 3. Залежною змінною є unitless натуральний логарифм коефіцієнта відносна вологість (RH) внутрішніх і зовнішніх датчиків, змова проти часу (див. Рівняння 3 Представник результати). Нахил лінії скорочення площі лінійної регресії пропорційний СПВП, повідомляється в таблиці 1 (R2 = 0,99). (B) Ця група показує зміни відносної вологості повітря 50% PLA 3D-друку камери в різних умовах. Будь ласка, натисніть тут, щоб подивитися велику версію цієї фігури.

Деградації тест пристрої:

Щоб перевірити погіршення в продуктивності пристрою під безперервної роботи, діоди електрично підкреслювалися кожні 5 хв від -5 до 5 V, для запису темного поточного відповіді як вольт амперних кривої. На малюнку 14 показано, що порівняння між зміною протягом 4 V для пристрою протестовані всередині камери в порівнянні з Стандартний інкапсульовані діод. Через збільшення опору пристрій в камері має трохи нижче початковий струм, ніж інкапсульовані пристрою. Для обох пристроїв початкове збільшення струму спостерігається протягом перших 50 хв. Після того, як досягається максимальний струм близько 50-60 хв, є інверсії в поточному кривих і ток починає зменшуватися. Це очікуване поведінка для цього типу пристроїв, як формування тонкої оксид прошарок в топ контакту електрода спочатку покращує характеристики інтерфейсу між металом і органічних полупроводнікових6. Цей ефект набагато більш виражений в пристрої в камері, пропонуючи велику і більш стрімку окислення. На цьому наголошує, що палата не призначений в якості заміни для інкапсуляції для тривалого зберігання, але портативний контрольованому середовищі, який може використовуватися для вимірювання зміни властивостей пристрою. Додавання портів газ з тече інертних газів, які зменшують СПВП, швидше за все, поліпшити стабільність пристроїв всередині камери.

Як пристрій далі підкреслив, активний шар починає погіршуватися через різні взаімодействій6,, 78,22. Обидва пристрої Показати близько 0,3 - 0,4 МКА / хв втрати струму як вимір доходів, хоча знову ж таки, Камера показує більш високий рівень деградації. На цьому наголошує, що пристрій всередині вимірювальної камери веде себе відповідно інкапсульовані пристрій електричної навантаженні. Як показано на малюнку 14, розпад кривих, заснований на нормализованной поточного зміни з часом, пропонує T80 для безперервного використання, який подібний до для двох пристроїв (26 h проти. 30 h), хоча трохи довше для інкапсульовані пристрою.

Малюнок 14: оперативна пристрій деградації
Малюнок 14: оперативна пристрій деградації. () Ця група показує виміряні Темновой ток 4 V для IV вимірювань кожні 5 хвилин для пристрою стандарту органічних сонячних батарей. (B) Ця група показує нормалізованих темний поточний розпаду криві в 4 V, я яo, де яo є початковий струм. Будь ласка, натисніть тут, щоб подивитися велику версію цієї фігури.

В кривої розпаду необроблених даних для інкапсульовані органічних пристрої (рис. 14А) різке зниження спостерігається між першою і другою вимірювання протягом 5 хв. Це зниження не спостерігається для органічних пристрою протестовані в камері. Це, ймовірно, є результатом того, що він займає більше часу, щоб зібрати органічних пристрій всередині камери і прикріпити його до плати ZIF, тоді як інкапсульовані пристрій можна безпосередньо виміряти відразу після видаляється з середовища бардачком.