Summary
Fotovoltaicos orgánicos (OPV) materiales son inherentemente no homogénea a escala nanométrica. Falta de homogeneidad de escala nanométrica de materiales OPV afecta al rendimiento de los dispositivos fotovoltaicos. En este trabajo se describe un protocolo para las mediciones cuantitativas de las propiedades eléctricas y mecánicas de los materiales de la OPV con resolución sub-100 nm.
Abstract
Fotovoltaicos orgánicos (OPV) materiales son inherentemente no homogénea a escala nanométrica. Falta de homogeneidad de escala nanométrica de materiales OPV afecta al rendimiento de los dispositivos fotovoltaicos. Por lo tanto, la comprensión de las variaciones espaciales en la composición, así como las propiedades eléctricas de los materiales de la OPV es de suma importancia para mover hacia delante la tecnología fotovoltaica. 1,2 En este artículo, se describe un protocolo para mediciones cuantitativas de las propiedades eléctricas y mecánicas de los materiales de la OPV con sub -100 nm resolución. En la actualidad, propiedades de los materiales mediciones realizadas utilizando comercialmente disponibles basados en técnicas de AFM (PeakForce, conductora AFM) por lo general sólo proporcionan información cualitativa. Los valores de la resistencia así como el módulo de Young medido utilizando nuestro método en el prototipo de ITO / PEDOT: PSS/P3HT: PC 61 del sistema BM corresponden bien con datos de la literatura. El P3HT: PC 61 BM mezcla se separa en el PC 61 y BM-rico-rico P3HT Domains. Las propiedades mecánicas de PC 61 dominios ricos y BM-P3HT ricos son diferentes, lo que permite la atribución de dominio en la superficie de la película. Es importante destacar que, combinando los datos mecánicos y eléctricos permite la correlación de la estructura del dominio en la superficie de la película con la variación de propiedades eléctricas medidas a través del espesor de la película.
Introduction
Los recientes avances en la eficiencia de conversión de energía (PCE) de la fotovoltaica orgánica (OPV) células (empujando un 10% a nivel celular) 3 de común acuerdo con el cumplimiento de los procesos de fabricación de alto rendimiento y bajo costo-4 han puesto de relieve en la tecnología de la VPO como posible solución para el desafío de la fabricación económica de gran superficie de células solares. Materiales OPV son inherentemente no homogénea a escala nanométrica. Falta de homogeneidad de los materiales a nanoescala OPV y el rendimiento de los dispositivos fotovoltaicos están íntimamente conectados. Por lo tanto, la falta de homogeneidad en la composición de la comprensión, así como las propiedades eléctricas de los materiales de la OPV es de suma importancia para mover hacia delante la tecnología OPV. Microscopía de fuerza atómica (AFM) se ha desarrollado como una herramienta para mediciones de alta resolución de la topografía de la superficie desde 1986. 5 En la actualidad, las técnicas de propiedades de los materiales (módulo de Young, 6-10 función de trabajo, 11 conductamediciones ividad, 12 electromecánica, 13-15, etc) están atrayendo cada vez más atención. En el caso de materiales de la OPV, la correlación de la composición de fase local y propiedades eléctricas es una promesa para revelar una mejor comprensión de los mecanismos internos de las células solares orgánicas. 1, 16-17 AFM basados en técnicas son capaces de alta resolución de fase de atribución 8, así como las propiedades eléctricas de cartografía en materiales poliméricos. Así, en principio, la correlación de la composición de fase de polímero (a través de mediciones mecánicas) 18 y las propiedades eléctricas es posible utilizando técnicas basadas en AFM. Muchos AFM basados en técnicas para mediciones de las propiedades mecánicas y eléctricas de los materiales de utilizar el supuesto de área constante de contacto entre la sonda AFM y la superficie. Esta suposición falla a menudo, lo que resulta en una fuerte correlación entre topografía de la superficie y las propiedades mecánicas / eléctricas. Recientemente, un nuevo AFM basado en la técnica parade alto rendimiento de las mediciones de propiedades mecánicas (PeakForce) 19 fue introducido. TUNA PeakForce (variación del método PeakForce) proporciona una plataforma para mediciones simultáneas de propiedades mecánicas y eléctricas de la muestra. Sin embargo, el método TUNA PeakForce produce mapas de propiedades mecánicas y eléctricas, que por lo general están fuertemente correlacionados debido a la variabilidad no contabilizada de contacto durante las mediciones. En este trabajo, presentamos un protocolo experimental para la eliminación de las correlaciones asociadas con diferentes radio de contacto, manteniendo las medidas exactas de las propiedades mecánicas y eléctricas usando AFM. Aplicación de los resultados del protocolo en las mediciones cuantitativas de la resistencia de los materiales 'y módulo de Young.
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Protocol
1. Señal de adquisición
- Instale la muestra (células solares de polímeros sin cátodo (ITO / PEDOT: PSS/P3HT: PC 61 BM)) en un comercial de AFM multimodo (Veeco, Santa Barbara, CA) equipado con Nanoscope-V controlador.
- Instale conductor sonda AFM AFM en multimodo soporte de la sonda.
- Crear conexión eléctrica entre la sonda AFM, muestra y fuente de tensión.
- Ruta de salida del amplificador de corriente (señal de intensidad), la salida multimodo desviación AFM (fuerza de la señal), muestra multimodo salida AFM altura (señal de distancia) en una tarjeta de adquisición digital (NI-DAQ PCI-6115). La ganancia por Femto DLPCA-200 amplificador de corriente es de 1 nA / V en el ancho de banda de 50 kHz.
- Aplicar sesgo 6V entre AFM sonda y el electrodo ITO.
- Ejecutar multimodo AFM en modo de recogida de PeakForceTM señal topografía: punto pico de fuerza conjunto 30 nN, una amplitud de oscilación de apoyo de 300 nm, una frecuencia de oscilación de apoyo de 2 kHz, una velocidad de barrido de 1 Hz, y una resolutisobre de 512 por 512 píxeles.
- Recoger señales listadas en la sección d por LabView / MATLAB de control al mismo tiempo que la adquisición de la señal de topografía (etapa e).
2. Datos Análisis Paso 1: Generación de Pull-off de la Fuerza, rigidez de contacto y mapas actuales
- Lea con fecha y hora de señales de corriente, la fuerza y la distancia en MATLAB.
- Cree 2.000 fuerza - distancia, y la fuerza - curvas actuales de la línea de exploración en primer lugar. Número de curvas es una función de la frecuencia de oscilación de apoyo y velocidad de exploración.
- De cada fuerza - distancia curva, determinar en contacto con rigidez y pull-off de la fuerza durante la retirada de la sonda de AFM (Figura 1).
- De cada fuerza - curva actual, determinar la corriente media mientras que la sonda AFM está en contacto con la superficie durante la retirada (Figura 1).
- Interpolar 2.000 contactos equidistantes rigidez, pull-off de fuerza, y los puntos actuales de 512 puntos de resolución para que coincida conción de señal de topografía. La línea de primer ciclo de la rigidez de contacto, pull-off de fuerza, y los mapas actuales se hace.
- Crear contacto rigidez, pull-off de fuerza, y los mapas actuales, repitiendo los pasos bae 512 veces. Los resultados se muestran en la Figura 2.
3. Datos Análisis Paso 2: Eliminación de Artefactos área de contacto
- Utilizar la ecuación (1) y (2) para obtener el módulo de Young (MATERIAL E) y la resistencia (ρ) del material en cada punto de la exploración: 20
usando ADH F = F PULL - 8 nN (adhesión debido al menisco de agua entre el AFM y la superficie), la rigidez de contacto 20 (k), y la corriente (I) mapas; voltaje de sondeo (V), espesor de la película (L), y adhesiónenergía (w = γ + γ SONDA DE MATERIA L - SONDA γ - MATERIAL, donde γ SONDA - energía superficial del material de la sonda, MATERIAL γ - energía superficial del material de la muestra, y γ-SONDA DE MATERIAL - energía interfacial del material de la muestra y el material de la sonda) 20.
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Representative Results
Módulo de Young y mapas de resistividad (Figura 3) presentan resultados típicos de las mediciones descritas anteriormente. Las propiedades mecánicas y eléctricas de la ITO / PEDOT: PSS/P3HT: PC 61 pila BM se midieron a negativo (-10 V) y positivo (+6 V) tensiones aplicadas a la sonda AFM. Artefactos de imagen, asociados a la interacción electrostática entre la sonda de AFM y la muestra, son un problema común para las mediciones cuantitativas de las propiedades funcionales utilizando AFM. La similitud de magnitud módulos de Young medido a diferentes voltajes demuestra la robustez del protocolo de medición descrito anteriormente con respecto a los artefactos electrostáticas. A menudo las variaciones en la composición química dentro de un material están asociados con los cambios locales en el módulo de Young. La muestra utilizada en este estudio es un dispositivo de célula solar sin el electrodo superior. La capa superior (P3HT: PC 61 BM) en la pila es la capa de células de energía solar activa donde conversion de la luz en electricidad se produce. Rendimiento de la célula solar depende fuertemente de la morfología y composición química de la capa activa.
Contacto rigidez y la corriente medida mediante AFM a menudo se correlacionan (Figura 4), debido a las variaciones en el área de contacto entre la sonda AFM y la superficie. Dicha correlación con frecuencia complica la determinación cuantitativa de la mecánica (módulo de Young) y eléctricas (resistividad) propiedades del material. El protocolo, proporcionado anteriormente, representa las variaciones en el área de contacto por mediciones directas de la fuerza de adherencia entre la sonda de AFM y la superficie, que a su vez permite mediciones cuantitativas de módulo de Young y de la resistividad. PC 61 BM-dominios ricos son más rígidos que los polímeros ricos. No tomar en cuenta la variabilidad del área de contacto conduce a la tergiversación de dominio. Por ejemplo, PC rígido 61 BM dominio rico es visible en la rigidez de contacto tanto y de Youngperfiles de módulo de línea (Figura 4A), mientras que el otro PC 61 BM-rico dominio (Figura 4B) sólo aparece en el mapa de módulo de Young.
El método descrito anteriormente permite la atribución de la composición química en la superficie de la P3HT: PC 61 capa BM. Hay dos tipos de dominios con diferentes módulos de Young son evidentes en la Figura 3 (A) y 3 (B). El conocimiento acerca de la composición química de la capa activa y datos de la literatura sobre las propiedades mecánicas de P3HT 21-26 y PC 61 BM 21 permite atribución de dominios con el módulo de Young alrededor de 0,01 GPa como P3HT ricos en seres (aparecen de color azul en la Figura 3 (A) y ( B)) y los dominios con módulo de Young de alrededor de 0,1 GPa como PC 61 BM-ricos onas (aparecen de color rojo oscuro en la figura 3 (A) y (B)). 27 mapas de resistencia (Figura 3 (C) y D () </ Strong>) proporcionan información sobre la conectividad eléctrica entre la superficie superior de la P3HT: PC 61 BM capa y la capa de ITO. En una celda solar de funcionamiento, la corriente viaja desde el grueso de la capa activa hacia los colectores de corriente (ITO y el electrodo depositado en la parte superior de la P3HT: PC 61 capa BM, respectivamente), por lo tanto, los mapas de resistencia son elementos vitales de información que permiten correlación de la composición química y el rendimiento de las células solares. Las figuras 3 (C) y 3 (D) muestran que la resistencia de P3HT ricos en PC 61 y BM-ricos cambios dominios dependiendo de la polaridad de la tensión aplicada a la sonda AFM. P3HT dominios ricos tienen una menor resistencia a la tensión positiva y mayor resistencia a la tensión negativa en comparación con PC 61 BM-dominios ricos. Posible inyección de huecos desde el alto trabajo de la función sonda Pt, conductividad agujero relativamente alto de P3HT 28 y conductividad agujero de PEDOT: PSS explicar una menor resistencia delas áreas ricas en P3HT, así como una mayor barrera para la inyección de electrones y propiedades de los electrones de rechazo de PEDOT: PSS se citaron 27 como razones para la mayor resistencia de las PC 61 BM-dominios ricos en comparación con P3HT ricos en aquellos bajo sesgo positivo de la sonda AFM. En sesgo negativo, la resistencia de P3HT dominios ricos deben aumentar la resistencia y de PC 61 dominios BM debería disminuir debido a una disminución en la eficiencia agujero de inyección de PEDOT: PSS 29 (resulta en una disminución de rechazo de electrones) y la inyección de electrones desde el sesgo negativo Pt sonda. Atribución química de los dominios sobre la base de las mediciones de las propiedades mecánicas es válida sólo en la proximidad del aire P3HT: PC 61 interfaz BM, mientras que mediciones de resistencia de proporcionar información acerca de las vías de corriente a través del espesor de la película. En este sentido, las mediciones mecánicas y eléctricas proporcionar información complementaria acerca de la muestra. La variación en la resistencia widelgadas P3HT ricos en PC 61 y BM-dominios ricos en superficie revela falta de homogeneidad de la estructura de dominio en todo el espesor de capa de película activa.
En resumen, hemos descrito un protocolo para mediciones cuantitativas de módulo de Young y de la resistividad de los materiales blandos por la incertidumbre atenuante área de contacto. Las propiedades mecánicas de PC 61 dominios ricos y BM-P3HT ricos son diferentes, que permiten la atribución de dominio en la superficie de la película. La combinación de los datos mecánicos y eléctricos permite la correlación de la estructura del dominio en la superficie de la película con variación propiedades eléctricas medidas a través del espesor de la película.
Figura 1 Fuerza Típica -. Distancia (azul) y actual - Distancia (en rojoCurvas) tomadas en ITO / PEDOT: PSS/P3HT: PC 61 BM con sonda Pt.
Figura 2 mediciones espacialmente resueltos de topografía (A), pull-off de fuerza (B), rigidez de contacto (C) y conductividad a -10 V (D) en un ITO / PEDOT:. PSS/P3HT: muestra PCBM. Tamaño de la imagen es de 10 micras x 10 micras.
Figura 3. Resueltos espacialmente las variaciones del módulo de Young (A, B) y la resistividad (C, D) para dos lugares diferentes en la superficie medidos a -10 V (A, C) y 6 V (B, D). Imágenes (A) y (C) se calcularon a partir de los datos presentados en
Perfiles de la Figura 4. Línea de las zonas indicadas con líneas negras punteadas en las figuras 2 y 3A, 3C. Fuerte correlación entre la rigidez de contacto y de corriente debido al contacto variabilidad radio es aparente. Eliminación de las variaciones del radio de contacto rígidas revela PC 61 BM-ricos dominios, que son poco visibles de otro modo (B). Haga clic aquí para ampliar la cifra .
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Disclosures
No hay conflictos de interés declarado.
Acknowledgments
MPN es agradecido al Programa de Becas del Director por el apoyo financiero. NMP quiere agradecer Yu-Chih Tseng para ayudar con el desarrollo del protocolo para el procesamiento de células solares. Este trabajo se realizó en el Centro de Materiales a Nanoescala, un Departamento de Energía de EE.UU., Oficina de Ciencia, Oficina del Fondo para el usuario Ciencias Básicas de Energía en virtud del Contrato N º 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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