Summary
العضوية الضوئية (OPV) المواد غير متجانسة بطبيعتها على مقياس متناهي الصغر. التجانس المواد النانوية OPV يؤثر على أداء الأجهزة الضوئية. في هذه الورقة، ونحن تصف بروتوكول للقياسات الكمية من الخواص الكهربائية والميكانيكية لمواد OPV للقرار نانومتر الفرعية-100.
Abstract
العضوية الضوئية (OPV) المواد غير متجانسة بطبيعتها على مقياس متناهي الصغر. التجانس المواد النانوية OPV يؤثر على أداء الأجهزة الضوئية. وهكذا، فهم الاختلافات المكانية في تكوين وكذلك الخصائص الكهربائية للمواد OPV هو أمر بالغ الأهمية للمضي قدما PV التكنولوجيا، 1،2 في هذه الورقة، ونحن تصف بروتوكول للقياسات الكمية من الخواص الكهربائية والميكانيكية لمواد OPV مع الفرعية -100 نانومتر القرار. حاليا، يقوم خصائص القياسات باستخدام المواد المتاحة تجاريا AFM التقنيات المعتمدة على (PeakForce، AFM موصل) توفير المعلومات فقط عموما النوعية. قيم المقاومة وكذلك معامل يونغ تقاس باستخدام طريقتنا على تنميط ITO / PEDOT: PSS/P3HT: PC نظام BM 61 تتوافق بشكل جيد مع البيانات الأدب. وP3HT: مزيج PC BM 61 يفصل على 61 BM-PC الغنية والغنية P3HT domaiNS. الخواص الميكانيكية للالمجالات 61 BM-PC الغنية والغنية P3HT مختلفة، والذي يسمح لإعطاء المجال على سطح الفيلم. الأهم من ذلك، الجمع بين البيانات الميكانيكية والكهربائية يسمح لارتباط بنية المجال على سطح الفيلم مع اختلاف الخصائص الكهربائية من خلال قياس سمك الفيلم.
Introduction
جلبت اختراقات الأخيرة في كفاءة تحويل الطاقة (PCE) من الضوئية العضوية (OPV) الخلايا (دفع 10٪ على مستوى الخلية) 3 بالتنسيق مع الامتثال لعمليات التصنيع عالية الإنتاجية وانخفاض تكلفة-4 الضوء على التكنولوجيا باعتبارها OPV ممكن حل لهذا التحدي غير مكلفة لتصنيع واسعة المجال الخلايا الشمسية. مواد غير متجانسة بطبيعتها هي OPV على مقياس متناهي الصغر. ويرتبط ارتباطا وثيقا التجانس المواد النانوية OPV وأداء الأجهزة الضوئية. وهكذا، فهم التجانس في التركيب وكذلك الخصائص الكهربائية للمواد OPV هو أمر بالغ الأهمية للمضي قدما OPV التكنولوجيا. وقد وضعت قوة ذرية المجهر (AFM) كأداة لقياس عالية الدقة من تضاريس سطح منذ عام 1986 .. 5 في أيامنا هذه، وتقنيات لخصائص المواد (معامل يونغ، 6-10 عمل وظيفة، 11 السلوكivity، 12 الميكانيكية الكهربائية، 13-15 الخ) القياسات تجتذب اهتماما متزايدا. في حالة المواد OPV، والارتباط لتكوين المرحلة المحلية والخواص الكهربائية يبشر بالخير لفهم أفضل للكشف عن الأعمال الداخلية للخلايا الشمسية العضوية .. 1، 16-17 AFM التقنيات المعتمدة على قادرة على عالية الدقة مرحلة الإسناد 8 على النحو جيدا كما الكهربائية خصائص رسم الخرائط في المواد البوليمرية. وهكذا، من حيث المبدأ، والارتباط لتكوين البوليمر المرحلة (من خلال القياسات الميكانيكية) 18 والخواص الكهربائية من الممكن استخدام التقنيات المعتمدة على AFM. العديد من التقنيات المعتمدة على AFM لقياس الخواص الميكانيكية والكهربائية للمواد استخدام افتراض ثابت منطقة التماس بين لجنة التحقيق وAFM سطح. هذا الافتراض غالبا ما يفشل، والذي ينتج في ارتباط قوي بين تضاريس سطح والخواص الميكانيكية / الكهربائية. مؤخرا، AFM جديد يستند إلى تقنية لوقدم عالية الإنتاجية قياسات الخواص الميكانيكية (PeakForce) 19. PeakForce TUNA (اختلاف الأسلوب PeakForce) يوفر منبرا للقياسات متزامنة من الخواص الميكانيكية والكهربائية من العينة. ومع ذلك، فإن طريقة TUNA PeakForce تنتج خرائط الملكية الميكانيكية والكهربائية، والتي عادة ما ترتبط بقوة بسبب تقلب عداد المفقودين من خلال الاتصال القياسات. في هذه الورقة، نقدم بروتوكول التجريبية لإزالة الارتباطات المرتبطة بدرجات نصف قطرها اتصال مع الحفاظ على قياسات دقيقة للخصائص الميكانيكية والكهربائية باستخدام AFM. تنفيذ نتائج القياسات الكمية في بروتوكول المقاومة المواد 'ومعامل يونغ.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. إشارة شراء
- تثبيت العينة (البوليمر الخلايا الشمسية دون الكاثود (ITO / PEDOT: PSS/P3HT: PC 61 BM)) في AFM والمتعدد التجارية (Veeco، سانتا باربارا، CA) مجهزة Nanoscope-V تحكم.
- تثبيت موصل AFM التحقيق في التحقيق المتعدد حامل AFM.
- إنشاء اتصال بين التحقيق الكهربائية AFM، عينة ومصدر الجهد.
- خرج مكبر للصوت الطريق الحالي (إشارة الحالي)، المتعدد الناتج انحراف AFM (قوة الإشارة)، المتعدد ارتفاع AFM عينة الإخراج (إشارة عن بعد) في بطاقة اكتساب الرقمية (NI-PCI-6115 دق). الربح على فيمتو DLPCA-200 مكبر للصوت الحالي هو 1 نا / V في عرض النطاق الترددي كيلو هرتز 50.
- تطبيق التحيز 6V بين التحقيق وAFM القطب ITO.
- تشغيل AFM المتعدد في وضع PeakForceTM جمع إشارة التضاريس: ذروة نقطة قوة مجموعة من 30 NN، والسعة التذبذب الدعم من 300 نانومتر، تردد التذبذب دعم من 2 كيلو هرتز، وهو معدل المسح من 1 هرتز، وresoluti علىعلى حسب من 512 512 بكسل.
- جمع الإشارات الواردة في القسم دال من ابفيف / MATLAB التحكم بالتزامن مع اكتساب إشارة تضاريس (ه الخطوة).
2. تحليل البيانات الخطوة 1: توليد قوة السحب لمرة و، وتصلب الاتصال، والخرائط الحالية
- قراءة الوقت الحالي ختمها، والقوة والمسافة إشارات إلى MATLAB.
- إنشاء قوة 2000 - المسافة، والقوة - المنحنيات الحالية للخط المسح الأول. عدد من المنحنيات هي وظيفة من وتيرة التذبذب دعم سعر الفحص.
- من كل قوة - المسافة منحنى، وتحديد الاتصال صلابة وكنزات خارج القوة أثناء انسحاب التحقيق AFM (الشكل 1).
- من كل قوة - منحنى الحالية، تحديد متوسط الحالي في حين أن التحقيق AFM على اتصال مع السطح خلال سحب (الشكل 1).
- أقحم 2000 تصلب الاتصال متباعدة بشكل متساو، سحب قبالة القوة، ونقاط الحالي نحو 512 نقطة لمباراة resoluنشوئها من إشارة التضاريس. ويتم مسح خط الاتصال الأول لتصلب، سحب قبالة القوة، والخرائط الحالية.
- إنشاء الاتصال صلابة، سحب قبالة القوة، والخرائط الحالية بتكرار الخطوات b خلال أوقات 512 ه. وتظهر النتائج في الشكل 2.
3. تحليل البيانات الخطوة 2: القضاء على قطع أثرية في منطقة الاتصال
- استخدام المعادلة (1) و (2) للحصول على معامل يونغ (E المادية) والمقاومة (ρ) من المادة في كل نقطة من الفحص: 20
F = ADH باستخدام F PULL - 8 ن ن (التصاق بسبب الغضروف المفصلي المياه بين AFM وسطح)، 20 تصلب الاتصال (ك)، والحالية (I) خرائط؛ الجهد التحقيق (V)، وسمك الفيلم (L)، و التصاقالطاقة (W = γ γ + PROBE MATERIA L - γ PROBE - مادة، حيث γ PROBE - الطاقة السطحية للمواد التحقيق، γ MATERIAL - الطاقة سطح مادة العينة، وγ PROBE المادية - الطاقة بينية من مادة العينة والمادية التحقيق) 20
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
وصف معامل الشباب والخرائط المقاومة (الشكل 3) النتائج النموذجية الحالية للقياسات أعلاه. تم قياس PC كومة BM 61 في الفولتية (+6 V) سلبية (-10 V) وإيجابية تطبيقها على تحقيق AFM: الخواص الميكانيكية والكهربائية للITO / PEDOT: PSS/P3HT. التحف والتصوير، والمرتبطة التفاعل بين لجنة التحقيق كهرباء AFM وأخذ عينات من، هي مشكلة شائعة لقياس كمية من الخواص الوظيفية باستخدام AFM. تشابه حجم معاملات الرجوعية يونغ قياس الفولتية في مختلف يوضح قوة من بروتوكول القياس المذكورة أعلاه فيما يتعلق التحف كهرباء. غالبا ما ترتبط الاختلافات في التركيب الكيميائي ضمن المواد مع التغييرات المحلية في معامل يونغ. العينة المستخدمة في هذه الدراسة هو جهاز الخلايا الشمسية دون القطب العلوي. الطبقة العليا (P3HT: PC 61 BM) في كومة هي طبقة الخلايا الشمسية النشطة حيث conversايون من الضوء إلى كهرباء يحدث. الخلية الشمسية الأداء تعتمد بقوة على تكوين مورفولوجيا والكيميائية للطبقة نشطة.
الاتصال صلابة والحالية. قياسها باستخدام AFM ترتبط في كثير من الأحيان (الشكل 4) بسبب التغيرات في منطقة الاتصال بين المسبار وسطح AFM مثل هذه العلاقة في كثير من الأحيان إلى تعقيد التقدير الكمي للالميكانيكية (معامل يونغ) والكهربائية (المقاومة) خواص المادة. البروتوكول، المذكورة أعلاه، وحسابات للتغيرات في منطقة الاتصال من خلال قياسات مباشرة لقوة الالتصاق بين التحقيق وAFM سطح، وهذا بدوره يسمح لقياس كمي لمعامل يونغ ومقاومة. 61 BM-PC الغنية المجالات أكثر صلابة من البوليمر الغنية منها. عدم تقديم حساب عن تقلب منطقة التماس يؤدي إلى تحريف المجال. على سبيل المثال، وقاسية PC 61 BM-الغنية المجال مرئية على حد سواء وصلابة اتصال الشابملامح خط معامل في (الشكل 4A)، في حين أن الأخرى 61 BM PC الغنية المجال (الشكل 4B) يظهر فقط على الخريطة معامل يونغ.
الطريقة الموضحة أعلاه يسمح لإعطاء التركيب الكيميائي على سطح P3HT: PC 61 طبقة BM. نوعين من المجالات مع مختلف معاملات الرجوعية يونغ هي واضح في الشكل 3 (A) و 3 (B). معرفة التركيب الكيميائي للطبقة نشطة والبيانات الأدب على الخواص الميكانيكية للP3HT 21-26 وPC 61 BM 21 يسمح إسناد المجالات مع معامل يونغ حول تلك 0،01 كيلوبار P3HT الغنية و(تظهر الأزرق على الشكل 3 (A) و ( B)) والمجالات مع معامل يونغ حوالي 0.1 جيغا باسكال عن تلك PC BM الغنية 61 (الأحمر الداكن تظهر على الشكل 3 (A) و (B)). خرائط المقاومة 27 (الشكل 3 (C) وD () </ STRONG>) تقديم معلومات عن الربط الكهربائي بين السطح العلوي للP3HT: PC طبقة BM 61 و طبقة ITO. في زنزانة التشغيل الشمسية، ويسافر الحالية من الجزء الأكبر من الطبقة النشطة تجاه جامعي الحالي (ITO والقطب المودعة على رأس P3HT: PC طبقة BM 61، على التوالي)، وبالتالي، هي قطع خرائط المقاومة حيويا للمعلومات التي تسمح لل العلاقة بين التركيب الكيميائي وأداء الخلايا الشمسية. أرقام 3 (C) و 3 (D) تبين أن مقاومة P3HT الغنية وPC 61 BM-تغييرات المجالات الغنية اعتمادا على قطبية الجهد المطبق على تحقيق AFM. P3HT الغنية المجالات وانخفاض المقاومة عند أعلى الجهد الإيجابية والسلبية المقاومة عند الجهد بالمقارنة مع المجالات PC BM الغنية 61. حقن ممكن من الثقوب من التحقيق وظيفة عالية وحزب العمال العمل، وارتفاع الموصلية نسبيا حفرة من P3HT 28 و التوصيل حفرة من PEDOT: PSS شرح أقل مقاومةوذكرت PSS 27 بصيغته أسباب ارتفاع المقاومة من المجالات PC BM-61 في الغنية مقارنة مع P3HT الغنية منها تحت التحيز الإيجابي لل: المناطق P3HT الغنية، فضلا عن ارتفاع حاجز للحقن الإلكترون والإلكترون من خصائص الرفض PEDOT وAFM التحقيق. في التحيز السلبي، وينبغي مقاومة P3HT الغنية المجالات وزيادة مقاومة المجالات PC BM 61 يجب أن تنخفض بسبب انخفاض في كفاءة حقن حفرة من PEDOT: من منحازة سلبيا على PSS 29 (مما أدى إلى انخفاض الرفض الإلكترون) وحقن الإلكترونات PT التحقيق. إسناد الكيميائية من المجالات استنادا إلى قياسات الخواص الميكانيكية صالحة فقط في القرب من الهواء P3HT: واجهة PC BM 61، بينما القياسات تقديم معلومات عن المقاومة الحالية من خلال مسارات سمك الفيلم. في هذا الصدد، والقياسات الميكانيكية والكهربائية تقديم معلومات مجانية حول العينة. الاختلاف في واي المقاومةرقيقة P3HT الغنية وPC 61 BM المجالات سطح الغنية يكشف التجانس من بنية المجال في جميع أنحاء سماكة طبقة الفيلم نشطة.
تلخيص وصفنا بروتوكول للقياسات كمية لمعامل يونغ ومقاومة من مواد لينة عن طريق الاتصال تخفيف الشكوك المنطقة. الخواص الميكانيكية للالمجالات 61 BM-PC الغنية والغنية P3HT مختلفة، والتي تسمح لإسناد المجال على سطح الفيلم. مزيج من البيانات الميكانيكية والكهربائية يسمح لارتباط بنية المجال على سطح الفيلم مع اختلاف الخصائص الكهربائية من خلال قياس سمك الفيلم.
الشكل 1 قوة النموذجية - المسافة (الأزرق) والحالية - المسافة (أحمر) المنحنيات التي اتخذت بشأن ITO / PEDOT: PSS/P3HT: PC 61 BM مع التحقيق حزب العمال.
الشكل 2 القياسات حل مكانيا من التضاريس (A)، سحب قبالة القوة (B)، وتصلب الاتصال (C)، والتوصيل عند مستوى -10 V (D) على ITO / PEDOT: PSS/P3HT: عينة PCBM. حجم الصورة هو 10 × 10 ميكرون ميكرون.
الشكل 3. حل مكانيا أشكال مختلفة من معامل يونغ (A، B) والمقاومة (C، D) للموقعين مختلفين على سطح قياس عند مستوى -10 V (A، C) و 6 V (B، D). الصور (A) و (C) وحسبت من البيانات المقدمة في
وأشار ملامح الخط الشكل 4. من المناطق ذات الخطوط المنقطة سوداء على أرقام 2 و 3A، 3C. علاقة قوية بين الاتصال وصلابة الحالي بسبب تقلب الاتصال دائرة نصف قطرها هو واضح. القضاء على الاختلافات نصف قطرها الاتصال يكشف شديدة PC 61 BM-الغنية المجالات، التي يمكن رؤيتها إلا سيئة (B). اضغط هنا لمشاهدتها بشكل اكبر شخصية .
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
الإعلان عن أي تضارب في المصالح.
Acknowledgments
MPN عن امتنانه لبرنامج زمالة المدير للحصول على الدعم المالي. MPN يريد أن أشكر يو تشيه تسينج للمساعدة في تطوير بروتوكول لمعالجة الخلايا الشمسية. تم تنفيذ هذا العمل في مركز للمواد النانومترية الحجم، وزارة الطاقة الأمريكية، مكتب العلوم ومكتب الطاقة الأساسية مرفق العضو علوم بموجب العقد رقم 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 |
References
- Chen, W., Nikiforov, M. P., Darling, S. B. Morphology characterization in organic and hybrid solar cells. Energy Environ. Sci. , (2012).
- Dupont, S. R., Oliver, M., Krebs, F. C., Dauskardt, R. H. Interlayer adhesion in roll-to-roll processed flexible inverted polymer solar cells. Sol. Energy. 97, 171-175 (2012).
- Green, M. A., Emery, K., Hishikawa, Y., Warta, W., Dunlop, E. D. Solar cell efficiency tables (version 39). Progress in Photovoltaics. 20 (1), 12-20 (2012).
- Krebs, F. C., Gevorgyan, S. A., Alstrup, J. A roll-to-roll process to flexible polymer solar cells: model studies, manufacture and operational stability studies. Journal of Materials Chemistry. 19 (30), 5442-5451 (2009).
- Binnig, G., Quate, C. F., Gerber, C.
- Hurley, D. C., Kopycinska-Muller, M., Kos, A. B., Geiss, R. H. Nanoscale elastic-property measurements and mapping using atomic force acoustic microscopy methods. Measurement Science & Technology. 16 (11), 2167-2172 (2005).
- Jesse, S., Nikiforov, M. P., Germinario, L. T., Kalinin, S. V. Local thermomechanical characterization of phase transitions using band excitation atomic force acoustic microscopy with heated probe. Applied Physics Letters. 93 (7), (2008).
- Nikiforov, M. P., Gam, S., Jesse, S., Composto, R. J., Kalinin, S. V. Morphology Mapping of Phase-Separated Polymer Films Using Nanothermal Analysis. Macromolecules. 43 (16), 6724-6730 (2010).
- Nikiforov, M. P., Jesse, S., Morozovska, A. N., Eliseev, E. A., Germinario, L. T., Kalinin, S. V. Probing the temperature dependence of the mechanical properties of polymers at the nanoscale with band excitation thermal scanning probe microscopy. Nanotechnology. 20 (39), (2009).
- Rabe, U., Amelio, S., Kopycinska, M., Hirsekorn, S., Kempf, M., Goken, M., Arnold, W. Imaging and measurement of local mechanical material properties by atomic force acoustic microscopy. Surface and Interface Analysis. 33 (2), 65-70 (2002).
- Nikiforov, M. P., Zerweck, U., Milde, P., Loppacher, C., Park, T. -H., Uyeda, H. T., Therien, M. J., Eng, L., Bonnell, D. The effect of molecular orientation on the potential of porphyrin-metal contacts. Nano Letters. 8 (1), 110-113 (2008).
- Nikiforov, M. N., Brukman, M. J., Bonnell, D. A. High-resolution characterization of defects in oxide thin films. Applied Physics Letters. 93 (18), (2008).
- Kalinin, S. V., Karapetian, E., Kachanov, M.
- Kolosov, O., Gruverman, A., Hatano, J., Takahashi, K., Tokumoto, H. Nanoscale Visualization and Control of Ferroelectric Domains by Atomic-Force Microscopy. Physical Review Letters. 74 (21), 4309-4312 (1995).
- Nikiforov, M. P., Thompson, G. L., Reukov, V. V., Jesse, S., Guo, S., Rodriguez, B. J., Seal, K., Vertegel, A. A., Kalinin, S. V. Double-Layer Mediated Electromechanical Response of Amyloid Fibrils in Liquid Environment. Acs Nano. 4 (2), 689-698 (2010).
- Botiz, I., Darling, S. B.
- Brabec, C. J., Heeney, M., McCulloch, I., Nelson, J. Influence of blend microstructure on bulk heterojunction organic photovoltaic performance. Chemical Society Reviews. 40 (3), 1185-1199 (2011).
- Karagiannidis, P. G., Kassavetis, S., Pitsalidis, C., Logothetidis, S. Thermal annealing effect on the nanomechanical properties and structure of P3HT: PCBM thin films. Thin Solid Films. 519 (12), 4105-4109 (2011).
- Sweers, K., vander Werf, K., Bennink, M., Subramaniam, V. Nanomechanical properties of alpha-synuclein amyloid fibrils: a comparative study by nanoindentation, harmonic force microscopy, and Peakforce QNM. Nanoscale Research Letters. 6, (2011).
- Nikiforov, M. P., Darling, S. B. Improved conductive atomic force microscopy measurements on organic photovoltaic materials via mitigation of contact area uncertainty. Progress in Photovoltaics: Research and Applications. , (2012).
- Li, H. -C., Rao, K. K., Jeng, J. -Y., Hsiao, Y. -J., Guo, T. -F., Jeng, Y. -R., Wen, T. -C. Nano-scale mechanical properties of polymer/fullerene bulk hetero-junction films and their influence on photovoltaic cells. Solar Energy Materials and Solar Cells. 95 (11), 2976-2980 (2011).
- Mueller, C., Goffri, S., Breiby, D. W., Andreasen, J. W., Chanzy, H. D., Janssen, R. A. J., Nielsen, M. M., Radano, C. P., Sirringhaus, H., Smith, P., Stingelin-Stutzmann, N. Tough, semiconducting polyethylene-poly(3-hexylthiophene) diblock copolymers. Advanced Functional Materials. 17 (15), 2674-2679 (2007).
- Kuila, B. K., Nandi, A. K. Physical, mechanical, and conductivity properties of poly(3-hexylthiophene)-montmorillonite clay nanocomposites produced by the solvent casting method. Macromolecules. 37 (23), 8577-8584 (2004).
- O'Connor, B., Chan, E. P., Chan, C., Conrad, B. R., Richter, L. J., Kline, R. J., Heeney, M., McCulloch, I., Soles, C. L., DeLongchamp, D. M. Correlations between Mechanical and Electrical Properties of Polythiophenes. Acs Nano. 4 (12), 7538-7544 (2010).
- Tahk, D., Lee, H. H., Khang, D. -Y. Elastic Moduli of Organic Electronic Materials by the Buckling Method. Macromolecules. 42 (18), 7079-7083 (2009).
- Kuila, B. K., Nandi, A. K. Structural hierarchy in melt-processed poly(3-hexyl thiophene)-montmorillonite clay nanocomposites: Novel physical, mechanical, optical, and conductivity properties. Journal of Physical Chemistry B. 110 (4), 1621-1631 (2006).
- Nikiforov, M. P., Darling, S. B. Improved conductive atomic force microscopy measurements on organic photovoltaic materials via mitigation of contact area uncertainty. Progress in Photovoltaics: Research and Applications. , In Press (2012).
- Kim, J. Y., Frisbie, D. Correlation of Phase Behavior and Charge Transport in Conjugated Polymer/Fullerene Blends. Journal of Physical Chemistry C. 112 (45), 17726-17736 (2008).
- Bange, S., Kuksov, A., Neher, D., Vollmer, A., Koch, N., Ludemann, A., Heun, S. The role of poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulphonate) as a hole injection layer in a blue-emitting polymer light-emitting diode. Journal of Applied Physics. 104 (10), (2008).
