并行定量的导电性和力学性能测试的有机光伏材料利用原子力显微镜

以下实验的总体目标是通过形态与电气性能的相关性来了解相分离富勒烯聚合物共混物中的电导机制。聚合物共混物的形态和电性能是控制其在有机太阳能电池内部性能的两个主要因素。通过使用带有自制控制器和数据采集系统的原子力显微镜同时测量样品的机械和电气特性，实现形态与样品电性能的相关性。

这用于收集有关 A FM 探头和样品表面之间力的距离依赖性的空间分辨数据，以及 A FM 探头和样品之间电流的距离依赖性，作为第二步，对在扫描的每个点收集的力距离和电流距离曲线进行自动分析。这会产生接触、刚度、拉断力和电流的高分辨率地图。接下来，应用近似接触力学模型来执行接触、刚度和电流数据的数学转换，以获得样品的杨氏模量和电阻。

结果根据机械特征确定了样品中结构域的化学性质，并根据同时进行的机械和电气性能测量确定了混合物中富含聚合物和之后富含聚合物的聚合物的电导率的定量差异。这种方法可以帮助回答有机太阳能电池开发领域的关键问题，例如通过了解有源层形态对源电池性能的影响，以及有源层的表面组成与电特性的相关性，这些电池的效率和稳定性。此外，这种方法可以应用于其他系统，例如有机电子材料和电池。

与其他电导率分布验证方法相比，该技术的主要优点是几乎消除了针尖样品接触区域的不确定性。这意味着您可以更清楚地了解界面属性。准备用于信号采集的样品。

从没有顶部电极的 P 三 H-T-P-C-B-M 聚合物太阳能电池样品开始。将其安装到带有原子力显微镜外部电气连接器的样品架中。接下来，将样品架连接到配备纳米范围 5 控制器的商用多模式原子力显微镜。

将导电探针安装到 A FM 探针支架中，并将支架安装在显微镜中。现在将探头组件连接到外部电流放大器。电流放大器的输出根植于数字采集卡中。

只需探头即可在 A FM 探头、样品和 A FM 电压源之间建立电气连接。请务必将 A FM 偏转输出、力信号、样品高度输出和距离信号连接到数字采集卡。将数字采集卡上的采集速率设置为每秒 250， 000 个样本，将采集时间设置为 1 秒。

接下来，在 A FM 探针和太阳能电池电极样品之间应用所需的偏压。在本实验中，在正 6 伏和负 10 伏电压下进行了研究。现在将 FM 设置为在峰值力模式下运行，以 30 纳牛顿的峰值力设定点、300 纳米的支撑振荡幅度、2 kHz 的支撑振荡频率、1 赫兹的扫描速率和分辨率为 5 12 x 5 12 像素收集地形数据。

来自 A FM 探头的电流信号的噪声水平会干扰良好的信号采集。如果这是一个问题，请尝试不同的接线方案来连接 A FM 探头电流放大器和电压源 在采集地形数据的同时收集力距离和电流距离曲线。在这里，这是使用 Lab View 完成的。

实验的 Matlab 控制。数据分析从将带时间戳的当前力和距离信号读取到 MATLAB 中开始。对于使用的设置，创建 2000 force distance 和 distance current 曲线。

对于第一条扫描线，曲线数是支座振荡频率和扫描速率的函数。此处显示的是一条代表性曲线，受力距离数据以蓝色显示，接触刚度由图中定义的角度 alpha 给出，即拉断力的值。每条曲线还显示了反作用力的第一个最小值，确定接触刚度和拉断力。

图中的红色曲线是力电流数据，电流的平均值作为支撑开始其振荡的缩回部分，直到探针与表面分离，称为电流，其值显示出来。对于此数据，确定要完成的每条曲线的此电流。接触刚度、拉断力和电流图的第一条扫描线将每个量的 2000 个等距数据点插值 512 个点，以匹配地形信号。

对 512 个扫描行中的每条线重复这些步骤。左上方显示了结果图像的示例，即地形测量的结果。右上角是空间分辨的拉拔力测量值。

左下角显示接触刚度。右下角显示样品的电流是 P 三 HT PCBM 聚合物太阳能电池，没有顶部电极，电压为负 10 伏，图像尺寸为 10 微米 x 10 微米。通过考虑 A FM 探头与表面之间接触区域的变化，可以消除拉拔力接触刚度和当前图像之间的相关性。

在实验过程中，使用数据和显示的方程式找到 E、杨氏模量并排列电阻率。这些变量在此处显示的文本协议中定义为前面显示的样本的计算杨氏模量。偏置电压为负 10 伏。

具有不同 young's ModuLite 的域是显而易见的。富含聚合物的出现在蓝色紀中，富含填充物的矾紼出现在深红色中。电阻率图提供了有关太阳能电池各层之间电气连接的信息。

以下是来自同一样品不同区域的空间分辨杨氏模量和电阻率。这一次，偏置电压为 6 伏，白色箭头指向完全富集结构域的区域。请注意，电阻率随偏置电压极性而变化。

当存在负偏置时，这些区域具有低电阻率，当存在正偏置时，这些区域具有高电阻率，遵循此程序。可以执行其他方法，如功率转换、整个太阳能电池的效率测量，以回答其他问题，例如有机太阳能电池中活性层形态的相关性与器件性能的相关性。