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 Ledningsevne og mekaniske egenskaber Målinger af organiske solceller materialer ved hjælp af 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 solceller (OPV) materialer er i sagens natur inhomogen på nanometer skala. Nanoscale inhomogenitet af OPV materialer påvirker udførelsen af ​​solceller enheder. I denne artikel beskriver vi en protokol for kvantitative målinger af elektriske og mekaniske egenskaber af OPV materialer med sub-100 nm opløsning.

Abstract

Organiske solceller (OPV) materialer er i sagens natur inhomogen på nanometer skala. Nanoscale inhomogenitet af OPV materialer påvirker udførelsen af ​​solceller enheder. Således forståelse af rumlige variationer i sammensætning samt elektriske egenskaber af OPV materialer er af afgørende betydning for at flytte PV teknologi fremad. 1,2 I dette papir, beskriver vi en protokol for kvantitative målinger af elektriske og mekaniske egenskaber af OPV materialer med sub -100 nm opløsning. I øjeblikket materialeegenskaber målinger udført ved anvendelse af kommercielt tilgængelige AFM-baserede teknikker (PeakForce, ledende AFM) generelt kun kvalitative data. Værdierne for modstand såvel som Youngs modul, målt ved hjælp af vores metode på den prototypiske ITO / PEDOT: PSS/P3HT: PC 61 BM-systemet i god overensstemmelse med litteraturdata. Den P3HT: PC 61 BM blanding adskiller på PC 61 BM-rige og P3HT-rige domains. Mekaniske egenskaber for PC 61 BM-rige og P3HT-rige domæner er forskellige, hvilket tillader domæne tildeling på overfladen af filmen. Vigtigere, kombinerer mekaniske og elektriske data tillader korrelation af domænestruktur på overfladen af ​​filmen med elektriske egenskaber variation måles gennem tykkelsen af ​​filmen.

Introduction

Nylige gennembrud i power omdannelseseffektivitet (PCE) af organisk solcelle (OPV) celler (skubbe 10% på celleniveau) 3 i koncert med overholdelse high-throughput og billig fremstillingsprocesser 4 har bragt en spotlight på OPV teknologi som en mulig løsning på den udfordring, billig fremstilling af store flader solceller. OPV materialer er iboende inhomogen i nanometerskala. Nanoscale inhomogenitet af OPV materialer og ydeevne af fotovoltaiske enheder er intimt forbundet. Således forståelse inhomogenitet i sammensætning samt elektriske egenskaber af OPV materialer er af afgørende betydning for at flytte OPV teknologi fremad. Atomic force mikroskopi (AFM) er blevet udviklet som et værktøj til høj opløsning målinger af overfladetopografi siden 1986. 5 dag teknikker til materialer egenskaber (Youngs modul, 6-10 arbejdsfunktion, 11 adfærdivity, 12 elektromekanik, 13-15 etc.) målinger stigende opmærksomhed. I tilfælde af OPV materialer, har korrelation med lokalt fasesammensætning og elektriske egenskaber lovende for at afsløre en bedre forståelse af de indre funktioner af organiske solceller. 1, 16-17 AFM-baserede teknikker er i stand til høj opløsning fasen tilskrivning 8 samt som elektriske egenskaber kortlægning i polymere materialer. Således i princippet er korrelationen mellem polymerfase sammensætning (ved mekaniske målinger) 18 og elektriske egenskaber muligt ved hjælp af AFM-baserede teknikker. Mange AFM-baserede teknikker til måling af mekaniske og elektriske egenskaber ved materialer bruger antagelsen om konstant areal for kontakt mellem AFM probe og overfladen. Denne antagelse ofte ikke, hvilket resulterer i stærk korrelation mellem overfladetopografi og mekaniske / elektriske egenskaber. For nylig, en ny AFM-baseret teknik tilhigh-throughput målinger af mekaniske egenskaber (PeakForce) 19 blev indført. PeakForce TUN (variation af PeakForce metode) skaber en platform for samtidige målinger af mekaniske og elektriske egenskaber ved prøve. Men PeakForce TUN metode producerer mekaniske og elektriske ejendom kort, som normalt er stærkt korreleret pga. forsvundet variabilitet i kontakt under målingerne. I denne artikel præsenterer vi en forsøgsprotokol til fjernelse af korrelationer, der er forbundet med varierende kontakt radius samtidig opretholde nøjagtige målinger af de mekaniske og elektriske egenskaber ved hjælp af AFM. Gennemførelse af protokollen resulterer i kvantitative målinger af materialers modstand og Youngs Modulus.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Signal Acquisition

  1. Installer prøve (plastsolceller uden katode (ITO / PEDOT: PSS/P3HT: PC 61 BM)) til en kommerciel Multimode AFM (Veeco, Santa Barbara, CA) udstyret med Nanoscope-V controller.
  2. Installer ledende AFM sonde ind i Multimode AFM probe holder.
  3. Skabe elektrisk forbindelse mellem AFM probe, prøve og spændingskilde.
  4. Rute strømforstærker output (strømsignal), Multimode AFM udbøjning output (force signal), Multimode AFM prøve højde output (distancesignalgeneratoren) i en digital erhvervelse kort (NI-PCI-6115 DAQ). Gevinsten på Femto DLPCA-200 strømforstærker er 1 nA / V ved 50 kHz båndbredde.
  5. Anvende 6V forspænding mellem AFM probe og ITO-elektrode.
  6. Kør Multimode AFM i PeakForceTM tilstand indsamling topografi signal: spidskraften setpunkt på 30 nN, en understøtning svingningsamplitude på 300 nm, en understøtning oscillationsfrekvens på 2 kHz, en scanningshastighed på 1 Hz og en opløsningpå fra 512 x 512 pixels.
  7. Saml signaler er anført i afsnit d af LabView / MATLAB kontrol samtidig med købet af topografi signal (trin e).

2. Dataanalyse Trin 1: Frembringelse af Pull-off Force Contact Stivhed, og Aktuelle Maps

  1. Læs tidsstemplede strøm, kraft og distance signaler til MATLAB.
  2. Skabe 2.000 force - distance, og kraft - løbende kurver for den første scanning linje. Antallet af kurver er en funktion af støtte oscillationsfrekvens og scan rate.
  3. Fra hver kraft - distance kurve bestemmes kontakt stivhed og pull-off-force under tilbagetrækning af AFM probe (figur 1).
  4. Fra hver force - aktuelle kurve bestemmes gennemsnitsstrømmen mens AFM probe er i kontakt med overfladen under tilbagetrække (fig. 1).
  5. Interpoler 2.000 jævnt fordelte kontakt stivhed, pull-off-force, og de nuværende punkter ved 512 point til at matche opløsningtion af topografi signal. Den første scanning linje for kontakt stivhed, pull-off-force, og de nuværende kort er gjort.
  6. Opret kontakt stivhed, pull-off-force, og aktuelle kort ved at gentage trin B til E 512 gange. Resultater er vist i figur 2.

3. Dataanalyse Trin 2: Fjernelse af Contact-området Artifacts

  1. Anvende ligning (1) og (2) til opnåelse af Youngs modul (E materiale) og modstand (ρ) af materialet i hvert punkt af scanningen: 20
    Ligning 1
     bruger F ADH = F PULL - 8 nN (vedhæftning på grund af vand menisk mellem AFM og overfladen), 20 kontakt stivhed (k), og strøm (I) kort; probing spænding (V), filmtykkelse (L), og vedhæftningenergi (w = γ PROBE + γ MATERIA L - γ PROBE - MATERIALE, hvor γ PROBE - overfladeenergi af sonde materiale, γ MATERIALE - overflade energi af prøvemateriale, og γ PROBE-MATERIALE - interfacial energi af prøvemateriale og sonde materiale) . 20

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Youngs modul og resistivitet kort (figur 3) viser typiske måleresultater beskrevet ovenfor. Mekaniske og elektriske egenskaber af ITO / PEDOT: PSS/P3HT: PC 61 BM stack blev målt ved negativ (-10 V) og positive (6 V) spændinger påføres på AFM probe. Billeddannende artefakter, der er forbundet med elektrostatisk interaktion mellem AFM proben og prøven, er et fælles problem for kvantitative målinger af funktionelle egenskaber ved hjælp af AFM. Ligheden af ​​Youngs moduli størrelse målt ved forskellige spændinger demonstrerer robustheden af ​​målingen protokollen beskrevet ovenfor med hensyn til elektrostatiske artefakter. Ofte variationer i kemisk sammensætning i et materiale er forbundet med de lokale forandringer i Youngs modul. Prøven anvendt i denne undersøgelse er en solcelle enhed uden det øvre elektrodelag. Det øverste lag (P3HT: PC 61 BM) i stakken er solcellen aktive lag, hvor samtalerion af lys til elektricitet forekommer. Solcelle ydeevne afhænger i høj grad på morfologien og kemiske sammensætning af det aktive lag.

Kontakt stivhed og aktuelt målt ved hjælp af AFM ofte korrelerede (Figur 4) på grund af variationer i kontakt område mellem AFM sonden og overfladen. En sådan korrelation ofte komplicerer kvantitativ bestemmelse af mekaniske (Youngs modul) og elektrisk (resistivitet) materialets egenskaber. Protokollen, forudsat ovenfor, står for variationer i kontaktområdet ved direkte målinger af vedhængningskraften mellem AFM probe og overfladen, hvilket igen giver mulighed for kvantitative målinger af Youngs modul og resistivitet. PC 61 BM-rige domæner er stivere end polymer-rige. Manglende redegøre for kontaktareal variation fører til domæne vildledning. Eksempelvis er stift PC 61 BM-rige domæne synlig på både kontakt stivhed og Youngsmodulus LINE profiler (figur 4A), mens den anden PC 61 BM-rige domæne (figur 4B) vises kun på Youngs modul kort.

Den ovenfor beskrevne fremgangsmåde muliggør tildeling af kemiske sammensætning på overfladen af P3HT: PC 61 BM lag. To typer af domæner med forskellige Youngs moduler er tydelig i figur 3 (A) og 3 (B). Viden om kemiske sammensætning af det aktive lag og litteratur data om mekaniske egenskaber P3HT 21-26 og PC 61 BM 21 kan tildeling af domæner med Youngs modul omkring 0,01 GPA P3HT-rige (vises blå på figur 3 (A) og ( B)) og domæner med Youngs modul omkring 0,1 GPa som PC 61 BM-rige (synes mørk rød på figur 3 (A) og (B)). 27 Resistance kort (Figur 3 (C) og (D) </ Strong>) give oplysninger om elektrisk forbindelse mellem den øverste overflade af P3HT: PC 61 BM lag og det ITO-laget. I et operativsystem solcelle, strømmen bevæger sig fra størstedelen af det aktive lag mod strømkollektorer (ITO og elektroden deponeret oven på P3HT: PC 61 BM lag, henholdsvis), således resistens over vitale stykker af information, som tillader korrelation af kemiske sammensætning og ydeevne af solceller. figur 3 (C) og 3 (D) viser, at resistens i P3HT-rige og PC 61 BM-rige domæner ændres afhængigt af polariteten af spændingen, som tilføres AFM probe. P3HT-rige domæner har lavere modstand ved positiv spænding og højere modstand ved negativ spænding i forhold til PC 61 BM-rige domæner. Muligt injektion af huller fra høj løsrivelsesenergi Pt probe, relativt høj hul ledningsevne P3HT 28 og hullet ledningsevne PEDOT: PSS forklare lavere modstandde P3HT-rige områder, samt en højere barriere for elektron injektion og elektron afvisning egenskaber PEDOT: PSS blev nævnt 27 som begrundelse for højere modstand af PC 61 BM-rige domæner i sammenligning med P3HT-rige under positiv bias af AFM sonden. Ved negativ forspænding, bør modstand P3HT-rige domæner øge og modstand PC 61 BM domæner bør falde på grund af et fald i hul injektion effektivitet PEDOT: PSS 29 (hvilket resulterer i reduktion af elektron afstødning) og injektion af elektroner fra forspændt den negativt Pt probe. Kemiske fordeling af domæner baseret på mekaniske egenskaber målinger kan kun bruges i nærheden af det luft-P3HT: PC 61 BM-interface, mens modstandsmålinger informerer om aktuelle veje gennem tykkelsen af filmen. I denne henseende udgør mekaniske og elektriske målinger gratis information om prøven. Variation i modstanden witynde P3HT-rige og PC 61 BM-rige overflade domæner afslører inhomogenitet af domænet struktur i hele det aktive lag filmtykkelse.

Opsummerer, beskrev vi en protokol for kvantitative målinger af Youngs modul og resistiviteten af ​​bløde materialer ved at reducere kontaktområdet usikkerhed. Mekaniske egenskaber for PC 61 BM-rige og P3HT-rige domæner er forskellige, som tillader domæne tildeling på overfladen af filmen. Kombination af mekaniske og elektriske data tillader korrelation af domænestruktur på overfladen af ​​filmen med elektriske egenskaber variation måles gennem tykkelsen af ​​filmen.

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

Figur 2
Figur 2 Stedligt målinger af topografien (A), pull-off force (B), kontakt stivhed (C) og ledningsevne ved -10 V (D) på en ITO / PEDOT:. PSS/P3HT: PCBM prøve. Billedstørrelsen er 10 um x 10 um.

Figur 3
Figur 3. Stedligt variationer af Youngs modul (A, B) og resistivitet (C, D) til to forskellige steder på overfladen målt på -10 V (A, C) og 6 V (B, D). Billeder (A) og (C) blev beregnet ud fra dataene i 61 BM-rige domæner, der viser resistivitet omskifter som en funktion af spænding polaritet (lav resistivitet ved negativ forspænding og høj resistivitet ved positiv bias). Sort stiplede linie (A, C) angiver områder, der anvendes til linje-profiler på fig. 4.

Figur 4
Figur 4. Linie profiler fra de områder, der er angivet med sorte stiplede linjer på figur 2 og 3A, 3C. Stærk sammenhæng mellem kontakt stivhed og nuværende på grund af kontakt radius variabilitet er tydelig. Afskaffelse af kontakt radius variationer afslører stive PC 61 BM-rige domæner, som er dårligt synlige ellers (B). Klik her for at se større figur .

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Ingen interessekonflikter erklæret.

Acknowledgments

MPN er taknemmelig for direktørens Fellowship Program for finansiel støtte. MPN ønsker at takke Yu-Chih Tseng for at få hjælp med udvikling af protokollen for solcelle behandling. Dette arbejde blev udført ved Center for nanoskala materialer, en US Department of Energy, Office of Science, Office of Basic Energy Sciences User Facility 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

Materialelære Nanoteknologi Mechanical Engineering Electrical Engineering Computer Science fysik elektriske transport egenskaber i faste stoffer faststoffysik tynde film (teori deposition og vækst) ledningsevne (solid state) AFM atomic force mikroskopi elektriske egenskaber mekaniske egenskaber organiske solceller mikroteknik solceller
Samtidig Kvantitativ Ledningsevne og mekaniske egenskaber Målinger af organiske solceller materialer ved hjælp af 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