Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Samtidig Kvantitativ Konduktivitet och mekaniska egenskaper Mätningar av organiska solceller material med AFM

Published: January 23, 2013 doi: 10.3791/50293
Automatic Translation
1, 1,2
1Center for Nanoscale Materials, Argonne National Laboratory, 2Institute for Molecular Engineering, University of Chicago

Summary

Organiska solceller (OPV) material är i sig inhomogena på nanometerskala. Nanoskala homogen OPV material påverkar prestanda solceller enheter. I detta dokument beskriver vi ett protokoll för kvantitativa mätningar av elektriska och mekaniska egenskaper hos OPV material med sub-100 nm upplösning.

Abstract

Organiska solceller (OPV) material är i sig inhomogena på nanometerskala. Nanoskala homogen OPV material påverkar prestanda solceller enheter. Således förståelse av rumsliga variationer i sammansättning samt elektriska egenskaper OPV material är av största vikt för att flytta PV tekniken framåt. 1,2 I detta dokument beskriver vi ett protokoll för kvantitativa mätningar av elektriska och mekaniska egenskaper hos OPV material med sub -100 nm upplösning. För närvarande, utfört materialegenskaper mätningar användning av kommersiellt tillgängliga AFM-baserade tekniker (PeakForce, ledande AFM) ger i allmänhet endast kvalitativ information. Värdena för motstånd samt Youngs modul mätt med vår metod på den prototypiska ITO / PEDOT: PSS/P3HT: PC 61 BM-systemet stämmer väl överens med litteraturdata. Den P3HT: PC 61 BM blandning separerar på PC 61 BM-rika och P3HT rik domains. Mekaniska egenskaper hos PC 61 BM-rika och P3HT-rika domäner är olika, vilket gör det möjligt att tillskriva domän på ytan av filmen. Viktigt är kombinerar mekaniska och elektriska data möjliggör korrelation av domänstruktur på ytan av filmen med elektriska egenskaper variationer mätt genom tjockleken av filmen.

Introduction

Nya genombrott vid makten verkningsgrad (PCE) av organisk solceller (OPV) celler (trycka 10% på cellnivå) 3 tillsammans med efterlevnaden av hög kapacitet och låg kostnad tillverkningsprocesser 4 har fört en spotlight på OPV teknik som en möjlig lösning för den utmaning billiga tillverkning av stora ytor solceller. OPV material är i sig inhomogena på nanometerskala. Nanoskala homogen OPV material och prestanda solceller enheter är intimt förbundna. Således är förståelse inhomogenitet i komposition samt elektriska egenskaper OPV material av största vikt för att flytta OPV-tekniken framåt. Atomkraftsmikroskopi (AFM) har utvecklats som ett verktyg för högupplösta mätningar av yttopografi sedan 1986. 5 dag teknik för materialegenskaper (Youngs modul, 6-10 arbete funktion, 11 uppträdandeivity, 12 elektromekanik, 13-15 mm) mätningar allt större uppmärksamhet. I fallet med OPV material har korrelation mellan lokala fas sammansättning och elektriska egenskaper löfte för att avslöja bättre förståelse för det inre arbetet i organiska solceller. 1, 16-17 AFM-baserade tekniker har förmåga högupplöst fas attribution 8 samt som elektriska egenskaper kartläggning i polymera material. Således, i princip, är korrelationen av polymerfas komposition (genom mekaniska mätningar) 18 och elektriska egenskaper möjlig med AFM-tekniker. Många AFM-baserade tekniker för mätning av mekaniska och elektriska egenskaper hos material använder antagandet om konstant area av kontakt mellan AFM sonden och ytan. Detta antagande misslyckas ofta, vilket resulterar i en stark korrelation mellan yttopografi och mekaniska / elektriska egenskaper. Nyligen har en ny AFM-baserad teknik förhög kapacitet mätningar av mekaniska egenskaper (PeakForce) 19 infördes. PeakForce TONFISK (variation av PeakForce metoden) ger en plattform för samtidiga mätningar av mekaniska och elektriska egenskaper hos provet. Men ger PeakForce TUNA metoden mekaniska och elektriska egendom kartor, som vanligtvis är starkt korrelerade eftersom oredovisat variationer i kontakt under mätningarna. I detta dokument presenterar vi ett experimentellt protokoll för att ta bort korrelationer samband med varierande kontakt radie samtidigt noggranna mätningar av mekaniska och elektriska egenskaper med hjälp av AFM. Genomförande av protokollet ger kvantitativa mätningar av material "motstånd och elasticitetsmodul.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Signal Förvärv

  1. Montera provet (polymer solcell utan katod (ITO / PEDOT: PSS/P3HT: PC 61 BM)) till en kommersiell Multimode AFM (Veeco, Santa Barbara, Kalifornien) utrustad med NanoScope-V-styrenheten.
  2. Installera ledande AFM sond i Multimode AFM sondhållare.
  3. Skapa elektrisk anslutning mellan AFM sonden, prov och spänningskällan.
  4. Rutt strömförstärkare utgång (strömsignal), Multimode AFM avböjning utgång (kraftsignalen), Multimode AFM prov höjd utgång (distans-signal) till en digital förvärv kort (NI-PCI-6115 DAQ). Vinsten på Femto DLPCA-200 strömförstärkare är 1 nA / V vid 50 kHz bandbredd.
  5. Applicera 6V förspänning mellan AFM sond och ITO-elektrod.
  6. Kör Multimode AFM i PeakForceTM läge samla topografi signal: maximala kraften börvärde av 30 nN, ett stöd svängningsamplitud av 300 nm, ett stöd oscillationsfrekvensen 2 kHz, en avsökningshastighet av 1 Hz och en resolutipå av 512 med 512 bildpunkter.
  7. Samla signaler som anges i avsnitt D i LabView / MATLAB kontroll samtidigt med förvärvet av topografi signal (steg e).

2. Dataanalys Steg 1: Generering av Pull-off Force, kontakt Stelhet och aktuella kartor

  1. Läs tidsstämplade ström, kraft och avstånd signaler till MATLAB.
  2. Skapa 2.000 kraft - avstånd och kraft - nuvarande kurvor för den första avsökningslinjen. Antal kurvor är en funktion av stöd svängningsfrekvens och avsökningshastighet.
  3. Från varje kraft - distans kurva, bestämma kontakta stelhet och pull-off-kraft under återkallande av AFM sonden (figur 1).
  4. Från varje kraft - aktuell kurva fastställa den genomsnittliga strömmen medan AFM sonden är i kontakt med ytan under återkalla (figur 1).
  5. Interpolera 2.000 jämnt fördelade kontakt styvhet, drag-off-kraft, och de nuvarande punkterna med 512 poäng för att matcha upplösningning av topografi signalen. Den första avsökningslinje för kontakt styvhet, drag-off-kraft, och aktuella kartor sker.
  6. Skapa kontakt stelhet, pull-off-kraft, och aktuella kartor genom att upprepa steg b till e 512 gånger. Resultat visas i figur 2.

3. Dataanalys Steg 2: Eliminering av kontakt-området Artefakter

  1. Använd ekvation (1) och (2) för att erhålla Youngs modul (E MATERIAL) och motstånd (ρ) av materialet vid varje punkt av skanningen: 20
    Ekvation 1
     med F ADH = f Dra - 8 NN (vidhäftning på grund av vatten menisk mellan AFM och ytan), 20 kontakt styvhet (k), och ström (I) kartor, sondering spänning (V), skikttjocklek (L), och vidhäftningenergi (w = γ PROBE + γ MATERIA L - γ PROBE - material, där γ PROBE - ytenergi av prob material γ MATERIAL - ytenergi av provmaterial och γ PROBE-MATERIAL - gränsytenergi av provmaterial och sond material) . 20

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Youngs modul och resistivitet kartor (fig. 3) nuvarande typiska resultat av mätningarna som beskrivits ovan. Mekaniska och elektriska egenskaper hos ITO / PEDOT: PSS/P3HT: PC 61 BM stack mättes vid negativ (-10 V) och positiv (+6 V) spänningar appliceras AFM sonden. Imaging artefakter, i samband med elektrostatisk växelverkan mellan AFM sonden och provet, är ett vanligt problem för kvantitativa mätningar av funktionella egenskaper med hjälp av AFM. Likheten mellan Youngs moduler storlek mäts vid olika spänningar visar robusthet mätprotokoll beskrivits ovan med avseende på elektrostatiska artefakter. Ofta variationer i kemisk sammansättning inom ett material är associerade med de lokala förändringarna i elasticitetsmodulen. Det prov som används i denna studie är en solcell enhet utan den övre elektroden. Det översta lagret (P3HT: PC 61 BM) i bunten är solcellen aktiva lagret där konvjon av ljus till elektricitet uppstår. Solcell prestanda beror starkt på morfologi och kemiska sammansättning av det aktiva skiktet.

Kontakt stelhet och ström mäts med AFM ofta korrelerade (Figur 4) på grund av variationer i kontaktytan mellan AFM sonden och ytan. Sådan korrelation komplicerar ofta kvantitativ bestämning av mekanisk (Youngs modul) och elektriska (resistivitet) egenskaper hos materialet. Protokollet, tillhandahålls ovan, står för variationer i kontaktyta genom direkta mätningar av adhesionskraften mellan AFM sonden och ytan, vilket i sin tur medger kvantitativa mätningar av Youngs modul och resistivitet. PC 61 BM-rika domäner är styvare än polymer-rika. Underlåtenhet att redovisa kontaktyta variabilitet leder till domän förvrängning. Till exempel, är styv PC 61 BM-rika domänen synlig på både kontakt styvhet och Youngsmodul linje profiler (figur 4A), medan den andra datorn 61 BM-rik domän (Figur 4B) visas endast på elasticitetsmodulen karta.

Den ovan beskrivna metoden medger tilldelning av kemisk sammansättning på ytan av P3HT: PC 61 BM skikt. Två typer av domäner med olika Youngs moduler är uppenbara i fig 3 (A) och 3 (B). Kunskap om kemiska sammansättningen hos det aktiva lagret och data litteratur om mekaniska egenskaper P3HT 21-26 och PC 61 BM 21 tillåter tilldelning av domäner med elasticitetsmodulen ca 0,01 GPa som P3HT-rika (visas i blått på Figur 3 (A) och ( B)) och domäner med elasticitetsmodulen cirka 0,1 GPa som PC 61 BM-rika (mörk röd på Figur 3 (A) och (b)). 27 kartor Resistance (Figur 3 (C) och (D) </ Strong>) ger information om elektrisk anslutning mellan den övre ytan på P3HT: PC 61 BM lager och ITO-skiktet. I ett operationellt solcell, aktuella färdas från huvuddelen av det aktiva skiktet mot strömkollektorer (ITO och elektroden avsatt ovanpå P3HT: PC 61 BM skikt, respektive), således motstånd kartor är viktiga bitar av information som möjliggör korrelation av kemisk sammansättning och resultat av solceller. fig 3 (C) och 3 (D) visar att motstånd P3HT-rika och PC 61 BM-rika domäner ändras beroende på polariteten av spänning appliceras på AFM sonden. P3HT-rika domäner har lägre motstånd vid positiv spänning och högre resistans vid negativ spänning i jämförelse med PC 61 BM-rika domäner. Möjlig injektion av hål från hög-arbetsfunktion Pt sond, relativt hög hål ledningsförmåga P3HT 28 och hål konduktivitet PEDOT: PSS förklara lägre motståndde P3HT-rika områden, samt en högre barriär för elektron injektion och elektron egenskaper avvisande av PEDOT: PSS angavs 27 som skäl för högre motstånd PC 61 BM-rika områden i jämförelse med P3HT-rika under positiv förspänning av AFM sonden. Vid negativ bias bör motstånd P3HT-rika domäner ökar och motstånd av PC 61 BM områden bör minska på grund av en minskning i hål injektion effektivitet PEDOT: PSS 29 (vilket resulterar i minskning av elektron avslag) och injektion av elektroner från partisk negativt pt sond. Kemisk tilldelning av domäner baserade på mekaniska egenskaper mätningar gäller endast i närheten av luft-P3HT: PC 61 BM-gränssnitt, medan motståndet mätningar ger information om aktuella vägar genom tjockleken av filmen. I detta avseende mekaniska och elektriska mätningar har kostnadsfri information om provet. Variation av motståndet witunna P3HT-rika och PC 61 BM-rika ytan domäner avslöjar homogen domänstruktur hela det aktiva lagret tjocklek.

Sammanfatta beskrev vi ett protokoll för kvantitativa mätningar av Youngs modul och resistivitet av mjuka material genom att mildra kontaktyta osäkerhet. Mekaniska egenskaper hos PC 61 BM-rika och P3HT-rika domäner är olika, som möjliggör domän tilldelning på ytan av filmen. Kombination av mekaniska och elektriska data möjliggör korrelation av domänstruktur på ytan av filmen med elektriska egenskaper variationer mätt genom tjockleken av filmen.

Figur 1
Figur 1 Typisk kraft -. Avstånd (blå) och ström - distans (röd) Kurvor tagna på ITO / PEDOT: PSS/P3HT: PC 61 BM med Pt sond.

Figur 2
Figur 2 rumsligt upplösta mätningar av topografin (A), dra-off kraft (B), kontakta styvhet (C) och konduktivitet vid -10 V (D) på en ITO / PEDOT:. PSS/P3HT: PCBM prov. Bildstorleken är 10 um x 10 um.

Figur 3
Figur 3. Rumsligt upplösta variationer av Youngs modul (A, B) och resistivitet (C, D) för två olika ställen på ytan uppmätt vid -10 V (A, C) och 6 V (B, D). Bilder (A) och (C) beräknades från de data som presenteras i 61 BM-rika domäner, som visar resistivitet omkopplare som en funktion av spänningen polaritet (låg resistivitet vid negativ förspänning och hög resistivitet vid positiv bias). Svart streckad linje (A, C) anger områden som används för linje profiler på figur 4.

Figur 4
Figur 4. Linje profiler från de områden som anges med svarta streckade linjer på figur 2 och 3A, 3C. Starkt samband mellan kontakt styvhet och aktuell på grund av kontakt radie variabilitet är uppenbart. Eliminering av variationer kontakt radie avslöjar stela PC 61 BM-rika domäner, som är dåligt syns annars (B). Klicka här för att se större bild .

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Inga intressekonflikter deklareras.

Acknowledgments

MPN är tacksam mot direktörens Fellowship Program för ekonomiskt stöd. MPN vill tacka Yu-Chih Tseng för hjälp med utveckling av protokollet för solceller bearbetning. Detta arbete utfördes vid Centrum för Nanoscale Materials, en US Department of Energy, Office of Science, Office of Basic Energy Sciences Användare anläggning under kontrakt nr 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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Chen, W., Nikiforov, M. P., Darling, S. B. Morphology characterization in organic and hybrid solar cells. Energy Environ. Sci. , (2012).
  2. 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).
  3. 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).
  4. 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).
  5. Binnig, G., Quate, C. F., Gerber, C. Atomic Force Microscope. Physical Review Letters. 56 (9), 930-933 (1986).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. Nikiforov, M. N., Brukman, M. J., Bonnell, D. A. High-resolution characterization of defects in oxide thin films. Applied Physics Letters. 93 (18), (2008).
  13. Kalinin, S. V., Karapetian, E., Kachanov, M. Nanoelectromechanics of piezoresponse force microscopy. Physical Review B. 70 (18), (2004).
  14. 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).
  15. 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).
  16. Botiz, I., Darling, S. B. Optoelectronics using block copolymers. Materials Today. 13 (5), 42-51 (2010).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).
  24. 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).
  25. Tahk, D., Lee, H. H., Khang, D. -Y. Elastic Moduli of Organic Electronic Materials by the Buckling Method. Macromolecules. 42 (18), 7079-7083 (2009).
  26. 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).
  27. 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).
  28. 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).
  29. 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).

Tags

Materialvetenskap nanoteknik Maskinteknik Elektroteknik datavetenskap fysik elektriska transportegenskaper i fasta ämnen kondenserade materiens fysik tunna filmer (teori nedfall och tillväxt) konduktivitet (solid state) AFM atomkraftsmikroskopi elektriska egenskaper mekaniska egenskaper organiska solceller mikroteknik solceller
Samtidig Kvantitativ Konduktivitet och mekaniska egenskaper Mätningar av organiska solceller material med AFM
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Nikiforov, M. P., Darling, S. B.… More

Nikiforov, M. P., Darling, S. B. Concurrent Quantitative Conductivity and Mechanical Properties Measurements of Organic Photovoltaic Materials using AFM. J. Vis. Exp. (71), e50293, doi:10.3791/50293 (2013).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter