Summary
Organici fotovoltaici (OPV) i materiali sono per loro natura non omogenea su scala nanometrica. Nanoscale disomogeneità dei materiali OPV influisce sulle prestazioni dei dispositivi fotovoltaici. In questo articolo, si descrive un protocollo per la misurazione quantitativa di proprietà elettriche e meccaniche dei materiali OPV con sub-risoluzione di 100 nm.
Abstract
Organici fotovoltaici (OPV) i materiali sono per loro natura non omogenea su scala nanometrica. Nanoscale disomogeneità dei materiali OPV influisce sulle prestazioni dei dispositivi fotovoltaici. Pertanto, la comprensione delle variazioni spaziali nella composizione e proprietà elettriche dei materiali OPV è di fondamentale importanza per lo spostamento in avanti della tecnologia fotovoltaica. 1,2 In questo lavoro, si descrive un protocollo per la misurazione quantitativa di proprietà elettriche e meccaniche dei materiali OPV con sub -100 nm risoluzione. Attualmente, le proprietà dei materiali misurazioni effettuate utilizzando disponibili in commercio a base di tecniche di AFM (PeakForce, AFM conduttivo) generalmente forniscono solo informazioni di tipo qualitativo. I valori di resistenza e modulo di Young misurato con il nostro metodo sul prototipo ITO / PEDOT: PSS/P3HT: PC 61 sistema BM corrispondono bene con i dati della letteratura. Il P3HT: PC 61 miscela BM separa sul PC 61 BM-ricchi e P3HT ricco di domains. Proprietà meccaniche del PC 61 domini ricchi e BM-P3HT-ricchi sono diversi, che consente di attribuzione dominio sulla superficie della pellicola. Soprattutto, combinando i dati meccanici ed elettrici consente per la correlazione della struttura dei domini sulla superficie del film con proprietà elettriche variazione misurata attraverso lo spessore del film.
Introduction
Innovazioni più recenti in termini di efficienza di conversione di potenza (PCE) di fotovoltaico organico (OPV) cellule (spingendo il 10% a livello di cella) 3 di concerto con il rispetto ai processi di produzione ad alto rendimento e basso costo 4 hanno portato i riflettori sulla tecnologia OPV come possibile soluzione per la sfida di fabbricazione economica di celle solari di grande superficie. Materiali OPV sono intrinsecamente disomogenei su scala nanometrica. Nanoscale disomogeneità dei materiali OPV e le prestazioni dei dispositivi fotovoltaici sono intimamente connessi. Pertanto, la comprensione disomogeneità nella composizione e proprietà elettriche dei materiali OPV è di fondamentale importanza per lo spostamento in avanti della tecnologia OPV. Microscopia a forza atomica (AFM) è stato sviluppato come strumento per misure ad alta risoluzione della topografia di superficie dal 1986. 5 Al giorno d'oggi, le tecniche per le proprietà dei materiali (modulo di Young, 6-10 funzione di lavoro, 11 condottamisure ivity, 12 elettromeccanica, 13-15 ecc) stanno attirando una crescente attenzione. Nel caso di materiali OPV, la correlazione di composizione della fase locale e le proprietà elettriche promettente per rivelare una migliore comprensione del funzionamento interno delle celle solari organiche. 1, 16-17 AFM tecniche basate sono in grado di ad alta risoluzione fase di attribuzione 8 e come proprietà elettriche di mappatura in materiali polimerici. Pertanto, in linea di principio, la correlazione di fase composizione polimerica (attraverso misurazioni meccaniche) 18 e proprietà elettriche è possibile utilizzando tecniche basate AFM. Molte tecniche basate AFM per misure di proprietà meccaniche ed elettriche dei materiali usare l'assunzione di area costante di contatto tra la sonda AFM e la superficie. Questa assunzione spesso non riesce, che risulta in forte correlazione tra topografia superficiale e le proprietà meccaniche / elettriche. Recentemente, una nuova tecnica basata AFM perhigh-throughput misure di proprietà meccaniche (PeakForce) 19 è stato introdotto. TONNO PeakForce (variante del metodo PeakForce) fornisce una piattaforma per misure simultanee di proprietà meccaniche ed elettriche del campione. Tuttavia, il metodo di TONNO PeakForce produce mappe di proprietà meccaniche ed elettriche, che di solito sono fortemente correlati a causa della variabilità dispersi di contatto durante le misurazioni. In questo articolo presentiamo un protocollo sperimentale per la rimozione correlazioni associati con raggio variabile contatto mantenendo misurazioni accurate delle proprietà meccaniche ed elettriche mediante AFM. Attuazione dei risultati del protocollo di misure quantitative di resistenza dei materiali "e modulo di Young.
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Protocol
1. Acquisizione del segnale
- Installare campione (cella solare polimerica senza catodo (ITO / PEDOT: PSS/P3HT: PC 61 BM)) in uno spot AFM Multimode (Veeco, Santa Barbara, CA) equipaggiato con Nanoscope-V controller.
- Installare AFM conduttivo sonda in Multimode supporto sonda AFM.
- Creare il collegamento elettrico tra la sonda AFM, campione e sorgente di tensione.
- Percorso di uscita amplificatore di corrente (segnale di corrente), Multimode AFM flessione uscita (forza del segnale), Multimode AFM di campionamento di uscita altezza (segnale di distanza) in una scheda di acquisizione digitale (NI-DAQ PCI-6115). Il guadagno su Femto DLPCA-200 amplificatore di corrente è di 1 nA / V a 50 kHz di banda.
- Applicare polarizzazione 6V tra AFM sonda e l'elettrodo ITO.
- Eseguire Multimode AFM in modalità PeakForceTM raccogliendo segnale topografia: picco set point forza di 30 nN, una ampiezza di oscillazione del supporto 300 nm, una frequenza di oscillazione di supporto 2 kHz, una velocità di scansione di 1 Hz, e una risoluil di 512 x 512 pixel.
- Raccogliere i segnali di cui alla sezione D con LabView / MATLAB controllo in concomitanza con l'acquisizione del segnale di topografia (e passo).
2. Analisi dei dati Fase 1: Generazione di Pull-off Forza, rigidezza di contatto, e mappe attuali
- Leggi cronodatati segnali di corrente, di forza e la distanza in MATLAB.
- Crea 2.000 forza - distanza, e la forza - curve di corrente per la prima linea di scansione. Numero di curve è una funzione della frequenza di oscillazione di supporto e velocità di scansione.
- Da ogni forza - curva di distanza, stabilire contatti rigidità e pull-off-forza durante l'estrazione della sonda AFM (Figura 1).
- Da ogni forza - curva di corrente, determinare la corrente media mentre la sonda AFM è a contatto con la superficie durante il ritiro (Figura 1).
- Interpolare 2000 rigidezza di contatto equidistanti, pull-off-forza, e attuali punti di 512 punti da abbinare risoluzionezione del segnale topografia. La prima linea di scansione per la rigidezza di contatto, pull-off-forza, e mappe aggiornate è fatto.
- Crea contatto rigidità, pull-off-forza, e mappe aggiornate ripetendo i passaggi da B ad E 512 volte. Risultati sono mostrati in Figura 2.
3. Dati Fase Analisi 2: Eliminazione di Contact-zona artefatti
- Utilizzare l'equazione (1) e (2) per ottenere Modulo di Young (MATERIALI E) e la resistenza (ρ) del materiale in ogni punto della scansione: 20
con F = F ADH PULL - 8 nN (adesione a causa del menisco dell'acqua tra la AFM e la superficie), 20 rigidezza di contatto (k), e corrente (I) le mappe, la tensione sondaggio (V), spessore del film (L), e adesioneenergia (w = γ + γ SONDA MATERIA L - γ SONDA - MATERIALE, dove γ SONDA - energia superficiale del materiale della sonda, MATERIALE γ - energia superficiale del materiale del campione, e γ-PROBE MATERIALE - energia interfacciale di materiale campione e materiale sonda) . 20
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Representative Results
Modulo di Young e resistività mappe (Figura 3) presenti risultati tipici delle misurazioni sopra descritte. Proprietà meccaniche ed elettriche del ITO / PEDOT: PSS/P3HT: PC 61 pila BM stati misurati al negativo (-10 V) e positivo (+6 V) tensioni applicate alla sonda AFM. Artefatti di imaging, associati all'interazione elettrostatica tra la sonda AFM e il campione, sono un problema comune per le misure quantitative di proprietà funzionali utilizzando AFM. La somiglianza di grandezza moduli di Young misurato a differenti tensioni dimostra la robustezza del protocollo di misurazione descritto sopra con riferimento alla artefatti elettrostatiche. Spesso variazioni nella composizione chimica all'interno di un materiale sono associate alle variazioni locali modulo di Young. Il campione utilizzato in questo studio è un dispositivo a cella solare senza l'elettrodo superiore. Lo strato superiore (P3HT: PC 61 BM) della pila è il livello cella solare attiva, in cui conversione della luce in energia elettrica avviene. Prestazioni cella solare dipende fortemente dalla morfologia e composizione chimica dello strato attivo.
Contattare rigidità e corrente misurata usando AFM sono spesso correlate (Figura 4) a causa delle variazioni nella zona di contatto tra la sonda AFM e la superficie. Tale correlazione spesso complica la determinazione quantitativa della meccanica (Modulo di Young) ed elettrici (resistività) proprietà del materiale. Il protocollo, fornito sopra, rappresenta variazioni nell'area di contatto per misurare direttamente la forza di adesione tra la sonda AFM e la superficie, che a sua volta consente misurazioni quantitative di modulo di Young e resistività. PC 61 BM domini ricchi sono più rigidi di polimeri ricchi di quelli. Non tenendo debito conto della variabilità area di contatto porta a false dichiarazioni di dominio. Ad esempio, rigido PC 61 BM-dominio ricco è visibile su entrambi rigidezza di contatto e di Youngmodulo di profili di linea (Figura 4A), mentre l'altro PC 61 BM-dominio ricco (Figura 4B) appare solo sulla mappa modulo di Young.
Il metodo sopra descritto consente di attribuzione della composizione chimica sulla superficie del P3HT: PC 61 strato BM. Due tipi di domini con differenti moduli di Young sono evidenti in figura 3 (A) e 3 (B). La conoscenza sulla composizione chimica dello strato attivo e dati di letteratura sulle proprietà meccaniche dei P3HT 21-26 e PC 61 BM 21 consente l'attribuzione di domini con modulo di Young circa 0,01 GPa come P3HT ricchi di quelli (appaiono di colore blu nella figura 3 (A) e ( B)) e domini con il modulo di Young di circa 0,1 GPa come PC 61 BM-ricchi quelli visualizzati (rosso scuro su Figura 3 (A) e (B)). 27 mappe resistenza (figura 3 (C) e (D) </ Strong>) forniscono informazioni sulla connessione elettrica tra la superficie superiore del P3HT: PC 61 BM strato e lo strato di ITO. In una cella solare di funzionamento, la corrente viaggia dalla massa dello strato attivo verso i collettori di corrente (ITO e l'elettrodo depositati sopra il P3HT: PC 61 strato BM, rispettivamente), così, mappe di resistenza sono informazioni vitali che consentono correlazione della composizione chimica e di prestazioni delle celle solari. figure 3 (C) e 3 (D) mostrano che la resistenza di P3HT ricchi e PC 61 BM-domini ricchi modifiche a seconda della polarità della tensione applicata alla sonda AFM. P3HT domini ricchi hanno una minore resistenza a tensione positiva e una maggiore resistenza alla tensione negativa rispetto a PC 61 BM-domini ricchi. Possibile iniezione dei fori dal lavoro ad alta funzione Pt sonda, conducibilità foro relativamente alto di P3HT 28 e conducibilità foro di PEDOT: PSS spiegare una minore resistenza diP3HT le aree ricche, così come una più alta barriera per l'iniezione di elettroni e la proprietà rifiuto elettroni di PEDOT: PSS stati citati 27 come ragioni per maggiore resistenza dei PC 61 BM domini ricchi in confronto con P3HT ricchi di quelli sotto polarizzazione positiva la sonda AFM. A polarizzazione negativa, resistenza P3HT domini ricchi dovrebbe aumentare la resistenza e di PC 61 domini BM dovrebbe diminuire a causa di una diminuzione di efficienza del foro di iniezione PEDOT: PSS 29 (con conseguente diminuzione del rigetto elettrone) e iniezione di elettroni dal negativamente prevenuto Pt sonda. Attribuzione dei domini chimica basata su misurazioni meccaniche proprietà è valida solo in prossimità della aria-P3HT: PC 61 Interfaccia BM, mentre le misurazioni della resistenza fornire informazioni sui percorsi di corrente attraverso lo spessore del film. A questo proposito, le misurazioni elettriche e meccaniche fornire informazioni gratuito sul campione. Variazione della resistenza wisottili P3HT ricchi e PC 61 BM domini ricchi di superficie rivela disomogeneità della struttura dei domini in tutto lo spessore attivo strato di pellicola.
Riassumendo, abbiamo descritto un protocollo per la misurazione quantitativa di modulo di Young e resistività di materiali morbidi di incertezza attenuante area di contatto. Proprietà meccaniche del PC 61 domini ricchi e BM-P3HT-ricchi sono diversi, che consentono di attribuzione dominio sulla superficie della pellicola. Combinazione di dati meccanici ed elettrici consente per la correlazione della struttura dei domini sulla superficie del film con proprietà elettriche variazione misurata attraverso lo spessore del film.
Figura 1 forza tipica -. Distanza (blu) e corrente - distanza (rossoCurve) prese in ITO / PEDOT: PSS/P3HT: PC BM 61 con sonda Pt.
Figura 2 misurazioni risolta spazialmente di topografia (A), pull-off di forza (B), rigidità di contatto (C), e la conducibilità a -10 V (D) su un ITO / PEDOT:. PSS/P3HT: campione PCBM. Dimensioni delle immagini è di 10 micron x 10 micron.
Figura 3. Risolta spazialmente variazioni del modulo di Young (A, B) e resistività (C, D) per due diverse posizioni sulla superficie misurata a -10 V (A, C) e 6 V (B, D). Immagini (A) e (C) sono stati calcolati dai dati presentati nella
Profili di linea Figura 4. Delle aree indicate con linee nere tratteggiate le figure 2 e 3A, 3C. Forte correlazione tra la rigidezza di contatto e la corrente a causa del contatto variabilità raggio è evidente. Eliminazione delle variazioni di raggio a contatto rigide rivela PC 61 BM-domini ricchi, che sono poco visibili altrimenti (B). Clicca qui per ingrandire la figura .
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Disclosures
Nessun conflitto di interessi dichiarati.
Acknowledgments
MPN è grato al Fellowship Program del direttore di un sostegno finanziario. MPN vuole ringraziare Yu-Chih Tseng di aiuto per lo sviluppo del protocollo per l'elaborazione delle celle solari. Questo lavoro è stato svolto presso il Centro di materiali su nanoscala, un Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, Office of Science, Ufficio di Basic Funzione utente energia Scienze nell'ambito del contratto n ° DE-AC02-06CH11357.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Plextronics inks | Plexcore | PV 1000 | |
| ITO-coated glass substrates | Delta Technologies, Inc | 25 Ohms/sq | |
| 30 MHz synthesized function generator | Stanfor Research Systems | DS345 | |
| Current amplifier | Femto | DLPCA-200 | |
| Multimode AFM | Veeco, Santa Barbara, CA | equipped with Nanoscope-V controller | |
| DAQ card | National Instruments | NI-PCI-6115 | |
| Metal Pt probes | RMNano | 12Pt3008 | |
| MATLAB software | Mathworks | ||
| LabView software | National Instruments |
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