Methodenartikel

Concurrent Quantitative Leitfähigkeit und mechanische Eigenschaften Measurements of Organic Photovoltaic Materials mittels AFM

DOI:

10.3791/50293

⸱

23. Januar 2013

 , 
1Center for Nanoscale Materials, Argonne National Laboratory, 2Institute for Molecular Engineering, University of Chicago

In diesem Artikel

Zusammenfassung

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Organische Photovoltaik (OPV) Materialien sind von Natur aus inhomogenen auf der Nanometerskala. Nanoscale Inhomogenität der OPV-Materialien beeinflusst die Leistung von Photovoltaik-Geräte. In diesem Papier beschreiben wir ein Protokoll für quantitative Messungen der elektrischen und mechanischen Eigenschaften der OPV Materialien mit sub-100 nm Auflösung.

Zusammenfassung

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Organische Photovoltaik (OPV) Materialien sind von Natur aus inhomogenen auf der Nanometerskala. Nanoscale Inhomogenität der OPV-Materialien beeinflusst die Leistung von Photovoltaik-Geräte. So, das Verständnis der räumlichen Variationen in der Zusammensetzung als auch elektrischen Eigenschaften der OPV-Materialien ist von größter Bedeutung für die Bewegung PV-Technologie voran. 1,2 In diesem Papier beschreiben wir ein Protokoll für quantitative Messungen der elektrischen und mechanischen Eigenschaften der OPV Materialien mit sub -100 nm Auflösung. Derzeit durchgeführt Materialeigenschaften Messungen mit handelsüblichen AFM-Techniken (PeakForce, leitenden AFM) in der Regel lediglich qualitative Informationen. Die Werte für den Widerstand als auch Elastizitätsmodul gemessen mit unserer Methode auf der prototypischen ITO / PEDOT: PSS/P3HT: PC 61 BM-System gut mit Daten aus der Literatur. Die P3HT: PC 61 BM Mischung trennt sich auf dem PC 61 BM-reich und P3HT-reiche domains. Mechanische Eigenschaften von BM-PC 61 reichen und P3HT-reiche Domänen unterschiedlich sind, das es ermöglicht, honorarfrei Domäne auf der Oberfläche des Films. Wichtig ist, dass die Kombination von mechanischen und elektrischen Daten können zur Korrelation der Domäne Struktur auf der Oberfläche der Folie mit elektrischen Eigenschaften Schwankungen durch die Dicke des Films gemessen.

Einleitung

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Neueste Innovationen in Leistungswandlungseffizienz (PCE) von organischen Photovoltaik (OPV)-Zellen (stossend 10% auf Zellebene) 3 in Absprache mit der Einhaltung High-Throughput-und Low-Cost Fertigungsprozesse 4 haben ein Schlaglicht auf die OPV-Technologie gebracht, wie ein mögliche Lösung für die Herausforderung, kostengünstige Herstellung von großflächigen Solarzellen. OPV Materialien sind von Natur aus inhomogenen auf der Nanometerskala. Nanoscale Inhomogenität der OPV-Materialien und die Leistung von Photovoltaik-Geräte sind eng miteinander verbunden. Daher ist das Verständnis Inhomogenität in der Zusammensetzung als auch elektrischen Eigenschaften der OPV-Materialien von größter Bedeutung für die Bewegung OPV-Technologie voran. Atomic Force Microscopy (AFM) wurde als ein Werkzeug für hochauflösende Messungen der Oberflächentopographie seit 1986 entwickelt. 5 Heute, Techniken für Materialien Eigenschaften (Elastizitätsmodul, 6-10 Austrittsarbeit, 11 Verhaltenduktivität, 12 Elektromechanik, 13-15 etc.) Messungen gewinnt zunehmend an Aufmerksamkeit. Im Fall von OPV-Materialien hält Korrelation von lokalen Phase Zusammensetzung und elektrischen Eigenschaften Versprechen für die Entdeckung ein besseres Verständnis der inneren Abläufe von organischen Solarzellen. 1, 16-17 AFM-basierte Techniken in der Lage hochauflösende Phase Zurechnung 8 sowie Als elektrische Eigenschaften Abbilden in polymeren Stoffen. Somit ist prinzipiell Korrelation der Polymerphase Zusammensetzung (durch mechanische Messungen) 18 und elektrischen Eigenschaften möglich mittels AFM-basierte Techniken. Viele AFM-basierte Techniken zur Messung von mechanischen und elektrischen Eigenschaften der Materialien verwenden Annahme konstanter Fläche des Kontakts zwischen der AFM-Sonde und der Oberfläche. Diese Annahme scheitert oft, was zu starken Korrelation zwischen Oberflächentopographie und mechanische / elektrische Eigenschaften. Kürzlich wurde eine neue AFM-Technik zumHigh-Throughput-Messungen der mechanischen Eigenschaften (PeakForce) 19 eingeführt wurde. PeakForce TUNA (Variation des PeakForce Methode) bietet eine Plattform für die gleichzeitige Messung von mechanischen und elektrischen Eigenschaften der Probe. Jedoch erzeugt die PeakForce TUNA Verfahren mechanische und elektrische Eigenschaft Karten, die in der Regel wegen der stark nachgewiesenes Variabilität der Kontakt während Messungen korreliert. In diesem Beitrag stellen wir ein experimentelles Protokoll für das Entfernen Korrelationen mit unterschiedlichem Kontakt Radius unter Beibehaltung genaue Messungen der mechanischen und elektrischen Eigenschaften mittels AFM assoziiert. Umsetzung des Protokolls in quantitativen Messungen der Materialien "Widerstand und Elastizitätsmodul.

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Protokoll

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Ein. Signalerfassung

  1. Installieren Probe (Polymer-Solarzelle ohne Kathode (ITO / PEDOT: PSS/P3HT: PC 61 BM)) in einem kommerziellen Multimode AFM (Veeco, Santa Barbara, CA) mit Nanoscope-V-Controller ausgestattet.
  2. Installieren leitenden AFM-Sonde in Multimode AFM Sondenhalter.
  3. Erstellen elektrische Verbindung zwischen der AFM-Sonde, Proben-und Spannungsquelle.
  4. Route aktuellen Verstärkerausgang (Stromsignal), Multimode AFM Ablenkung Ausgang (Kraft-Signal), Multimode AFM Probenhöhe Ausgang (Abstandssignal) in einen digitalen Messkarte (NI-PCI-6115 DAQ). Der Gewinn aus Femto DLPCA-200 Stromverstärkers ist 1 nA / V bei 50 kHz Bandbreite.
  5. Bewerben 6V Vorspannung zwischen AFM-Sonde und ITO-Elektrode.
  6. Führen Multimode AFM in PeakForceTM Modus Sammeln Topographie Signal: Spitzenkraft Sollwert von 30 nN, einen Träger Schwingungsamplitude von 300 nm, einem Träger Oszillationsfrequenz von 2 kHz, einer Scangeschwindigkeit von 1 Hz und einer resolutiauf der 512 x 512 Pixel.
  7. Collect-Signale in Abschnitt d durch LabView / MATLAB Kontrolle gleichzeitig mit dem Erwerb der Topographie (Schritt e) aufgeführt.

2. Data Analysis Schritt 1: Erzeugung von Pull-off Force, Kontakt Steifigkeit und aktuellen Karten

  1. Lesen Zeitstempel Strom, Kraft und Distanz Signale in MATLAB.
  2. Erstellen 2.000 Kraft - Abstand und Kraft - Strom-Kurven für die ersten Scan-Linie. Anzahl der Kurven ist eine Funktion der Unterstützung Oszillationsfrequenz und Scangeschwindigkeit.
  3. Von jeder Kraft - Abstand Eichkurve kontaktieren Steifigkeit und Pull-off-Kraft beim Herausziehen des AFM-Sonde (Abbildung 1).
  4. Von jeder Kraft - Stromkurve, den mittleren Strom zu ermitteln, während der AFM-Sonde in Kontakt mit der Oberfläche während zurückzuziehen (Abbildung 1).
  5. Interpolieren 2.000 gleichem Abstand Kontakt Steifigkeit, Pull-off-Kraft, und aktuelle Punkte 512 Punkte Auflösung entsprechention der Topographie Signal. Die erste Abtastzeile für Berührungssteifigkeit, Abzugshilfeelement Kraft, und aktuellen Karten erfolgt.
  6. Kontakt erstellen Steifigkeit, Pull-off-Kraft und aktuellen Karten durch Wiederholen der Schritte b bis e 512-mal. Die Ergebnisse sind in Abbildung 2 dargestellt.

3. Data Analysis Schritt 2: Beseitigung von Kontakt-Bereich Artifacts

  1. Verwenden Gleichung (1) und (2) zum Elastizitätsmodul (E MATERIAL) und Widerstand (ρ) des Materials an jedem Punkt des Scans erhalten: 20
    figure-protocol-1
     mit F ADH = F PULL - 8 nN (Adhäsion durch Wasser Meniskus zwischen der AFM und der Oberfläche), 20 Kontakt Steifigkeit (k) und Strom (I) Karten; Messspannung (V), Schichtdicke (L), und HaftungEnergie (w = γ PROBE + γ MATERIA L - γ PROBE - MATERIAL, wo γ PROBE - Oberflächenenergie der Sonde Material, γ MATERIAL - Oberflächenenergie von Probenmaterial und γ PROBE-MATERIAL - Grenzflächenenergie von Probenmaterial und Sonde Material) . 20

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Ergebnisse

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Elastizitätsmodul und Widerstandsfähigkeit Karten (Abbildung 3) derzeit typischen Ergebnisse der Messungen beschrieben. Mechanische und elektrische Eigenschaften der ITO / PEDOT: PSS/P3HT: PC 61 BM Stapel wurden bei negativen (-10 V) und positive (+6 V) Spannungen, die an der AFM-Sonde gemessen. Imaging Artefakte, mit elektrostatischen Wechselwirkung zwischen der AFM-Sonde und der Probe verbunden sind, sind ein häufiges Problem für quantitative Messungen der funktionellen Eigenschaften mittel...

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Offenlegungen

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Keine Interessenskonflikte erklärt.

Danksagungen

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MPN ist dankbar, des Direktors Fellowship Program für finanzielle Unterstützung. MPN will Yu-Chih Tseng für die Hilfe bei der Entwicklung des Protokolls für Solarzellenprozessierung danken. Diese Arbeit wurde am Center for Nanoscale Materials, ein US-Department of Energy, Office of Science, Office of Basic Energy Sciences User Facility unter Vertrag Nr. DE-AC02-06CH11357 durchgeführt.

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
Name des Reagenz / Material Firma Catalog Number Kommentare
Plextronics Tinten Plexcore PV 1000
ITO-beschichtete Glassubstrate Delta Technologies, Inc 25 Ohm / sq
30 MHz synthetisiert Funktionsgenerator Stanfor Research Systems DS345
Stromverstärker Femto DLPCA-200
Multimode AFM Veeco, Santa Barbara, CA ausgestattet mit Nanoscope-V-Controller
Messkarte National Instruments NI-PCI-6115
Metall Pt Sonden RMNano 12Pt3008
MATLAB-Software Mathworks
LabView-Software National Instruments

Referenzen

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