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 og mekaniske egenskaper Målinger av organiske fotovoltaiske materialer ved hjelp 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

Organiske photovoltaic (OPV) materialer er iboende inhomogene på nanometer skala. Nanoskala inhomogeneity av OPV materialer påvirker ytelsen av fotovoltaiske enheter. I denne artikkelen beskriver vi en protokoll for kvantitative målinger av elektriske og mekaniske egenskaper av OPV materialer med sub-100 nm oppløsning.

Abstract

Organiske photovoltaic (OPV) materialer er iboende inhomogene på nanometer skala. Nanoskala inhomogeneity av OPV materialer påvirker ytelsen av fotovoltaiske enheter. Dermed forståelse av romlige variasjoner i sammensetning samt elektriske egenskapene OPV materialer er av avgjørende betydning for å flytte PV-teknologi fremover. 1,2 I denne artikkelen beskriver vi en protokoll for kvantitative målinger av elektriske og mekaniske egenskaper av OPV materialer med sub -100 nm oppløsning. Foreløpig utført materialegenskaper målinger hjelp av kommersielt tilgjengelige AFM-baserte teknikker (PeakForce, ledende AFM) generelt gir bare kvalitativ informasjon. Verdiene for motstand samt Youngs modulus målt med vår metode på den prototypiske ITO / PEDOT: PSS/P3HT: PC 61 BM-systemet samsvarer godt med litteratur data. Den P3HT: PC 61 BM blanding skiller på PC 61 BM-rik og P3HT-rik domains. Mekaniske egenskaper av pc 61 BM-rike og P3HT-rike domener er forskjellige, noe som gjør det mulig for domenet navngivelse på overflaten av filmen. Viktigere, kombinerer mekaniske og elektriske data muliggjør korrelasjon av domenet strukturen på overflaten av filmen med elektriske egenskaper variasjon målt gjennom tykkelsen av filmen.

Introduction

Nylige gjennombrudd i kraft konvertering effektivitet (PCE) av organisk photovoltaic (OPV) celler (skyve 10% på cellenivå) 3 på konsert med samsvar med høy gjennomstrømming og lave kostnader produksjonsprosesser 4 har brakt en spotlight på OPV teknologi som mulig løsning på utfordringen med billig produksjon av store-området solceller. OPV materialer er iboende inhomogene på nanometer skala. Nanoskala inhomogeneity av OPV materialer og utførelse av photovoltaic enheter er nært koblet til. Således er forståelse inhomogeneity i sammensetning samt elektriske egenskapene OPV materialer av overordnet betydning for flytting OPV teknologien framover. Atomic force mikroskopi (AFM) har blitt utviklet som et verktøy for høyoppløselige målinger av overflatetopografi siden 1986. 5 dag teknikker for materialegenskaper (Youngs modulus, 6-10 arbeid funksjon, 11 opptredenivity, 12 elektromekanikk, 13-15 osv.) målinger er å tiltrekke mer oppmerksomhet. I tilfelle av OPV materialer, har sammenheng med lokal fase sammensetning og elektriske egenskaper løftet for å avsløre bedre forståelse av den interne driften av organiske solceller. 1, 16-17 AFM-baserte teknikker er i stand til høy oppløsning fase henvisning 8 samt som elektriske egenskaper kartlegging i polymere materialer. Derfor, i prinsippet, er korrelasjon av polymer fase sammensetning (gjennom mekaniske målinger) 18 og elektriske egenskaper mulig ved hjelp AFM-baserte teknikker. Mange AFM-baserte teknikker for måling av mekaniske og elektriske egenskaper hos materialer bruker antagelsen av konstant område av kontakt mellom AFM sonde og overflaten. Denne antakelsen mislykkes ofte, noe som resulterer i sterk sammenheng mellom overflaten topografi og mekaniske / elektriske egenskaper. Nylig har en ny AFM-basert teknikk forhøy gjennomstrømming målinger av mekaniske egenskaper (PeakForce) 19 ble innført. PeakForce TUNA (variant av PeakForce metoden) gir en plattform for samtidige målinger av mekaniske og elektriske egenskaper til prøven. Men produserer PeakForce TUNA metoden mekaniske og elektriske eiendomskart, som vanligvis er sterkt korrelert på grunn av uforklart variasjon av kontakt under målingene. I denne artikkelen presenterer vi en eksperimentell protokoll for å fjerne korrelasjoner knyttet varierende kontakt radius samtidig opprettholde nøyaktige målinger av de mekaniske og elektriske egenskaper ved hjelp av AFM. Gjennomføring av protokollen resulterer i kvantitative målinger av materialers motstand og Youngs Modulus.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Signal Acquisition

  1. Installer prøven (polymer solcelle uten katode (ITO / PEDOT: PSS/P3HT: PC 61 BM)) i en kommersiell Multimode AFM (Veeco, Santa Barbara, CA) er utstyrt med Nanoscope-V kontrolleren.
  2. Installer ledende AFM sonde inn Multimode AFM probe holderen.
  3. Opprett elektrisk forbindelse mellom AFM sonde, prøven og spenningskilden.
  4. Rute nåværende forsterker utgang (strømsignal), Multimode AFM nedbøyning utgang (force signal), Multimode AFM sample høyde utgang (avstand signal) i en digital oppkjøp kort (NI-PCI-6115 DAQ). Gevinsten på Femto DLPCA-200 nåværende forsterker er en nA / V ved 50 kHz båndbredde.
  5. Påfør 6V skjevhet mellom AFM sonde og ITO elektrode.
  6. Kjør Multimode AFM i PeakForceTM modus samle topografi signal: peak kraft settpunkt på 30 nN, en støtte svingning amplitude på 300 nm, en støtte svingning frekvens på 2 kHz, en scan rate på 1 Hz, og en resolutipå 512 av av 512 piksler.
  7. Samle signaler oppført i punkt d av LabView / MATLAB kontroll samtidig med oppkjøpet av topografi signal (trinn e).

2. Dataanalyse Trinn 1: Generering av Pull-off Force, kontakt Stivhet og oppdaterte kart

  1. Les tidsstemplede strøm, kraft og avstand signaler til MATLAB.
  2. Lag 2000 force - avstand, og force - dagens kurver for første skanningen linje. Antall kurver er en funksjon av støtte svingning frekvens og skannehastighet.
  3. Fra hver force - avstand kurve, bestemme kontakt stivhet og pull-off-force ved seponering av AFM sonden (figur 1).
  4. Fra hver kraft - strømkurven, bestemme gjennomsnittlige strøm idet AFM proben er i kontakt med overflaten under trekke (figur 1).
  5. Interpolere 2000 like linjeavstand kontakt stivhet, pull-off-kraft, og dagens poeng ved 512 poeng å matche oppløsningsjon av topografi signal. Den første skanningen linje for kontakt stivhet, pull-off-kraft, og oppdaterte kart er gjort.
  6. Lag kontakt stivhet, pull-off-force, og oppdaterte kart ved å gjenta trinn B til E 512 ganger. Resultatene er vist i figur 2.

3. Dataanalyse Trinn 2: Eliminering av kontakt-området Artifacts

  1. Bruk ligning (1) og (2) for å oppnå Youngs Modulus (E materiale) og motstand (ρ) av materialet på hvert punkt av skanningen: 20
    Ligning 1
     ved hjelp av F ADH = F PULL - 8 nN (adhesjon grunnet vann menisken mellom AFM og overflaten), 20 kontakt stivhet (k), og strømmen (I) over; sondering spenning (V), filmtykkelse (L), og vedheftenergi (w = γ PROBE + γ MATERIA L - γ PROBE - materiale, der γ PROBE - overflate energi probe materiale, γ MATERIELL - overflateenergi av prøvemateriale, og γ PROBE-materiale - grenseflatespenning energi av prøvemateriale og probe materiale) . 20

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Youngs modulus og resistivitet over (fig. 3) representerer typiske resultater av målingene som er beskrevet ovenfor. Mekaniske og elektriske egenskaper av ITO / PEDOT: PSS/P3HT: PC 61 BM stack ble målt ved negativ (-10 V) og positive (6 V) spenninger påføres AFM proben. Imaging gjenstander, knyttet elektrostatisk interaksjon mellom AFM sonde og prøven, er et vanlig problem for kvantitative målinger av funksjonelle egenskaper ved hjelp av AFM. Likheten av Youngs moduli magnitude målt ved forskjellige spenninger demonstrerer robusthet målingen protokollen beskrevet ovenfor med hensyn til elektrostatisk artefakter. Ofte variasjoner i kjemisk sammensetning innenfor et materiale er forbundet med de lokale endringer i Youngs modul. Utvalget brukt i denne studien er en solcelle-enhet uten den øverste elektroden. Det øverste laget (P3HT: PC 61 BM) i bunken er solcellen aktive laget hvor samtalerion av lys til elektrisitet oppstår. Solcelle ytelse avhenger sterkt av morfologi og kjemisk sammensetning av det aktive laget.

Kontakt stivhet og gjeldende målte hjelp AFM ofte korrelert (figur 4) på grunn av variasjoner i kontaktområdet mellom AFM sonden og overflaten. Slik sammenheng kompliserer ofte kvantitativ bestemmelse av mekanisk (Youngs modulus) og elektriske (resistivitet) egenskaper av materialet. Protokollen, er gitt ovenfor, står for variasjoner i kontaktområdet ved direkte målinger av vedheft kraften mellom AFM sonden og overflaten, som i sin tur gjør det mulig for kvantitative målinger av Youngs modul og resistivitet. PC 61 BM-rike domener er stivere enn polymer-rike. Unnlatelse av å stå for kontaktflate variasjon fører til domenet uriktige fremstillingen. For eksempel, er stivt PC 61 BM-rik domene synlig på både kontakt stivhet og Youngsmodulus linje profiler (figur 4A), mens den andre PC 61 BM-rik domenenavn (figur 4B) vises bare på Youngs modulus kartet.

Den ovenfor beskrevne metode gjør det mulig for tilordningen av kjemisk sammensetning på overflaten av P3HT: PC 61 BM lag. To typer domener med forskjellig Youngs moduli er tydelig i figur 3 (A) og 3 (B). Kunnskap om kjemisk sammensetning av det aktive laget og litteratur data om mekaniske egenskaper P3HT 21-26 og PC 61 BM 21 tillater tildeling av domener med Youngs modulus rundt 0,01 GPA som P3HT-rike de (vises blå på figur 3 (A) og ( B)) og domener med Youngs modul rundt 0,1 GPa som 61 PC BM-rike de (vises mørk rødt på figur 3 (A) og (b)). 27 Resistance kart (Figur 3 (C) og (D) </ Strong>) gir informasjon om elektrisk tilkobling mellom den øvre overflate av P3HT: PC 61 BM laget og ITO laget. I en drifts solcelle, løpende reiser fra hoveddelen av det aktive laget mot strømsamlere (ITO og elektroden avsettes på toppen av P3HT: PC 61 BM lag, henholdsvis), og dermed, motstand kartene er vitale deler av informasjon som gjør det mulig for korrelasjon av kjemisk sammensetning og ytelse av solceller. Figur 3 (C) og 3 (D) viser at motstanden P3HT-rike og PC 61 BM-rike domener endres avhengig av polariteten spenning på AFM sonden. P3HT-rike domener har lavere motstand ved positiv spenning og høyere motstand ved negativ spenning i forhold til PC 61 BM-rike domener. Mulig injeksjon av hull fra høy arbeid funksjon Pt sonde, forholdsvis høy hull ledeevne P3HT 28 og hull konduktivitet PEDOT: PSS forklare lavere motstand avde P3HT-rike områder, samt en høyere barriere for elektron injeksjon og elektron avvisning egenskapene PEDOT: PSS ble sitert 27 som grunner for høyere motstand av PC 61 BM-rike domener i sammenligning med P3HT-rike seg under positiv skjevhet av AFM sonde. På negativ bias, bør motstanden P3HT-rike domener øke og motstand av PC 61 BM domener bør reduseres på grunn av en nedgang i hullet injeksjon effektiviteten av PEDOT: PSS 29 (noe som resulterer i reduksjon av elektron avvisning) og injeksjon av elektroner fra negativt forutinntatt pt probe. Kjemisk tilordningen av domener basert på mekaniske egenskaper målinger er bare gyldig i nærhet av air-P3HT: PC 61 BM grensesnitt, samtidig motstandsmålinger gi informasjon om aktuelle trasé gjennom tykkelsen av filmen. I denne forbindelse, mekaniske og elektriske målinger har gratis informasjon om prøven. Variasjonen i resistens witynne P3HT-rike og PC 61 BM-rike overflate domener avslører inhomogeneity av domene struktur gjennom det aktive laget filmtykkelse.

Oppsummering, beskrev vi en protokoll for kvantitative målinger av Youngs modulus og resistivitet av myke materialer ved formildende kontaktområdet usikkerhet. Mekaniske egenskaper av pc 61 BM-rike og P3HT-rike domener er forskjellige, tillater som for domenet navngivelse på overflaten av filmen. Kombinasjon av mekaniske og elektriske data muliggjør korrelasjon av domenet strukturen på overflaten av filmen med elektriske egenskaper variasjon målt gjennom tykkelsen av filmen.

Figur 1
Figur 1 Typisk kraft -. Avstand (blå) og strøm - avstand (rød) Kurver tatt på ITO / PEDOT: PSS/P3HT: PC 61 BM med Pt sonde.

Figur 2
Figur 2 Romlig løst målinger av topografi (A), pull-off kraft (B), kontakt stivhet (C), og konduktivitet ved -10 V (D) på en ITO / PEDOT:. PSS/P3HT: PCBM prøve. Bildestørrelsen er 10 mikrometer x 10 mm.

Figur 3
Figur 3. Romlig løst variasjoner av Youngs Modulus (A, B) og resistivitet (C, D) for to forskjellige steder på overflaten målt på -10 V (A, C) og 6 V (B, D). Bilder (A) og (C) ble beregnet ut fra de data som presenteres i 61 BM-rike domener, som demonstrerer resistivitet bryteren som en funksjon av spenning polaritet (lav resistivitet ved negativ skjevhet og høy resistivitet ved positiv skjevhet). Svart stiplet linje (A, C) angir områder brukes for linje profiler på Figur 4.

Figur 4
Figur 4. Line profiler fra områdene som blir vist med svart stiplet linje på figur 2 og 3A, 3C. Sterk sammenheng mellom kontakt stivhet og strøm på grunn kontakte radius variasjonen er tydelig. Eliminering av kontakt radius variasjoner avslører stive PC 61 BM-rike domener, som er dårlig synlig ellers (B). Klikk her for å se større figur .

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Ingen interessekonflikter erklært.

Acknowledgments

MPN er takknemlig for direktørens Fellowship Program for økonomisk støtte. MPN ønsker å takke Yu-Chih Tseng for hjelp med utvikling av protokollen for solcelle behandling. Dette arbeidet ble utført ved Senter for nanoskala materialer, en US Department of Energy, Office of Science, Office of Basic Energy Sciences Bruker anlegg under kontrakt nummer 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

Materials Science nanoteknologi Mechanical Engineering elektroteknikk informatikk fysikk elektriske transport egenskaper i faste stoffer kondenserte mediers fysikk tynne filmer (teori avsetning og vekst) konduktivitet (solid state) AFM atomic force mikroskopi elektriske egenskaper mekaniske egenskaper organiske solceller MicroEngineering Solcellepanel
Samtidig Kvantitativ Konduktivitet og mekaniske egenskaper Målinger av organiske fotovoltaiske materialer ved hjelp 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