Method Article

Conductividad concurrente cuantitativa y Medidas propiedades mecánicas de los materiales fotovoltaicos orgánicos utilizando AFM

DOI:

10.3791/50293

⸱

January 23rd, 2013

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

In This Article

Summary

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Fotovoltaicos orgánicos (OPV) materiales son inherentemente no homogénea a escala nanométrica. Falta de homogeneidad de escala nanométrica de materiales OPV afecta al rendimiento de los dispositivos fotovoltaicos. En este trabajo se describe un protocolo para las mediciones cuantitativas de las propiedades eléctricas y mecánicas de los materiales de la OPV con resolución sub-100 nm.

Abstract

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Fotovoltaicos orgánicos (OPV) materiales son inherentemente no homogénea a escala nanométrica. Falta de homogeneidad de escala nanométrica de materiales OPV afecta al rendimiento de los dispositivos fotovoltaicos. Por lo tanto, la comprensión de las variaciones espaciales en la composición, así como las propiedades eléctricas de los materiales de la OPV es de suma importancia para mover hacia delante la tecnología fotovoltaica. 1,2 En este artículo, se describe un protocolo para mediciones cuantitativas de las propiedades eléctricas y mecánicas de los materiales de la OPV con sub -100 nm resolución. En la actualidad, propiedades de los materiales mediciones realizadas utilizando comercialmente disponibles basados ​​en técnicas de AFM (PeakForce, conductora AFM) por lo general sólo proporcionan información cualitativa. Los valores de la resistencia así como el módulo de Young medido utilizando nuestro método en el prototipo de ITO / PEDOT: PSS/P3HT: PC 61 del sistema BM corresponden bien con datos de la literatura. El P3HT: PC 61 BM mezcla se separa en el PC 61 y BM-rico-rico P3HT Domains. Las propiedades mecánicas de PC 61 dominios ricos y BM-P3HT ricos son diferentes, lo que permite la atribución de dominio en la superficie de la película. Es importante destacar que, combinando los datos mecánicos y eléctricos permite la correlación de la estructura del dominio en la superficie de la película con la variación de propiedades eléctricas medidas a través del espesor de la película.

Introduction

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Los recientes avances en la eficiencia de conversión de energía (PCE) de la fotovoltaica orgánica (OPV) células (empujando un 10% a nivel celular) 3 de común acuerdo con el cumplimiento de los procesos de fabricación de alto rendimiento y bajo costo-4 han puesto de relieve en la tecnología de la VPO como posible solución para el desafío de la fabricación económica de gran superficie de células solares. Materiales OPV son inherentemente no homogénea a escala nanométrica. Falta de homogeneidad de los materiales a nanoescala OPV y el rendimiento de los dispositivos fotovoltaicos están íntimamente conectados. Por lo tanto, la falta de homogeneidad en la composición de la comprensión, así como las propiedades eléctricas de los materiales de la OPV es de suma importancia para mover hacia delante la tecnología OPV. Microscopía de fuerza atómica (AFM) se ha desarrollado como una herramienta para mediciones de alta resolución de la topografía de la superficie desde 1986. 5 En la actualidad, las técnicas de propiedades de los materiales (módulo de Young, 6-10 función de trabajo, 11 conductamediciones ividad, 12 electromecánica, 13-15, etc) están atrayendo cada vez más atención. En el caso de materiales de la OPV, la correlación de la composición de fase local y propiedades eléctricas es una promesa para revelar una mejor comprensión de los mecanismos internos de las células solares orgánicas. 1, 16-17 AFM basados ​​en técnicas son capaces de alta resolución de fase de atribución 8, así como las propiedades eléctricas de cartografía en materiales poliméricos. Así, en principio, la correlación de la composición de fase de polímero (a través de mediciones mecánicas) 18 y las propiedades eléctricas es posible utilizando técnicas basadas en AFM. Muchos AFM basados ​​en técnicas para mediciones de las propiedades mecánicas y eléctricas de los materiales de utilizar el supuesto de área constante de contacto entre la sonda AFM y la superficie. Esta suposición falla a menudo, lo que resulta en una fuerte correlación entre topografía de la superficie y las propiedades mecánicas / eléctricas. Recientemente, un nuevo AFM basado en la técnica parade alto rendimiento de las mediciones de propiedades mecánicas (PeakForce) 19 fue introducido. TUNA PeakForce (variación del método PeakForce) proporciona una plataforma para mediciones simultáneas de propiedades mecánicas y eléctricas de la muestra. Sin embargo, el método TUNA PeakForce produce mapas de propiedades mecánicas y eléctricas, que por lo general están fuertemente correlacionados debido a la variabilidad no contabilizada de contacto durante las mediciones. En este trabajo, presentamos un protocolo experimental para la eliminación de las correlaciones asociadas con diferentes radio de contacto, manteniendo las medidas exactas de las propiedades mecánicas y eléctricas usando AFM. Aplicación de los resultados del protocolo en las mediciones cuantitativas de la resistencia de los materiales 'y módulo de Young.

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Protocol

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1. Señal de adquisición

  1. Instale la muestra (células solares de polímeros sin cátodo (ITO / PEDOT: PSS/P3HT: PC 61 BM)) en un comercial de AFM multimodo (Veeco, Santa Barbara, CA) equipado con Nanoscope-V controlador.
  2. Instale conductor sonda AFM AFM en multimodo soporte de la sonda.
  3. Crear conexión eléctrica entre la sonda AFM, muestra y fuente de tensión.
  4. Ruta de salida del amplificador de corriente (señal de intensidad), la salida multimodo desviación AFM (fuerza de la señal), muestra multimodo salida AFM altura (señal de distancia) en una tarjeta de adquisición digital (NI-DAQ PCI-6115). La ganancia por Femto DLPCA-200 amplificador de corriente es de 1 nA / V en el ancho de banda de 50 kHz.
  5. Aplicar sesgo 6V entre AFM sonda y el electrodo ITO.
  6. Ejecutar multimodo AFM en modo de recogida de PeakForceTM señal topografía: punto pico de fuerza conjunto 30 nN, una amplitud de oscilación de apoyo de 300 nm, una frecuencia de oscilación de apoyo de 2 kHz, una velocidad de barrido de 1 Hz, y una resolutisobre de 512 por 512 píxeles.
  7. Recoger señales listadas en la sección d por LabView / MATLAB de control al mismo tiempo que la adquisición de la señal de topografía (etapa e).

2. Datos Análisis Paso 1: Generación de Pull-off de la Fuerza, rigidez de contacto y mapas actuales

  1. Lea con fecha y hora de señales de corriente, la fuerza y ​​la distancia en MATLAB.
  2. Cree 2.000 fuerza - distancia, y la fuerza - curvas actuales de la línea de exploración en primer lugar. Número de curvas es una función de la frecuencia de oscilación de apoyo y velocidad de exploración.
  3. De cada fuerza - distancia curva, determinar en contacto con rigidez y pull-off de la fuerza durante la retirada de la sonda de AFM (Figura 1).
  4. De cada fuerza - curva actual, determinar la corriente media mientras que la sonda AFM está en contacto con la superficie durante la retirada (Figura 1).
  5. Interpolar 2.000 contactos equidistantes rigidez, pull-off de fuerza, y los puntos actuales de 512 puntos de resolución para que coincida conción de señal de topografía. La línea de primer ciclo de la rigidez de contacto, pull-off de fuerza, y los mapas actuales se hace.
  6. Crear contacto rigidez, pull-off de fuerza, y los mapas actuales, repitiendo los pasos bae 512 veces. Los resultados se muestran en la Figura 2.

3. Datos Análisis Paso 2: Eliminación de Artefactos área de contacto

  1. Utilizar la ecuación (1) y (2) para obtener el módulo de Young (MATERIAL E) y la resistencia (ρ) del material en cada punto de la exploración: 20
    figure-protocol-1
     usando ADH F = F PULL - 8 nN (adhesión debido al menisco de agua entre el AFM y la superficie), la rigidez de contacto 20 (k), y la corriente (I) mapas; voltaje de sondeo (V), espesor de la película (L), y adhesiónenergía (w = γ + γ SONDA DE MATERIA L - SONDA γ - MATERIAL, donde γ SONDA - energía superficial del material de la sonda, MATERIAL γ - energía superficial del material de la muestra, y γ-SONDA DE MATERIAL - energía interfacial del material de la muestra y el material de la sonda) 20.

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Results

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Módulo de Young y mapas de resistividad (Figura 3) presentan resultados típicos de las mediciones descritas anteriormente. Las propiedades mecánicas y eléctricas de la ITO / PEDOT: PSS/P3HT: PC 61 pila BM se midieron a negativo (-10 V) y positivo (+6 V) tensiones aplicadas a la sonda AFM. Artefactos de imagen, asociados a la interacción electrostática entre la sonda de AFM y la muestra, son un problema común para las mediciones cuantitativas de las propiedades funcionales utilizando AFM. La s...

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Disclosures

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No hay conflictos de interés declarado.

Acknowledgements

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MPN es agradecido al Programa de Becas del Director por el apoyo financiero. NMP quiere agradecer Yu-Chih Tseng para ayudar con el desarrollo del protocolo para el procesamiento de células solares. Este trabajo se realizó en el Centro de Materiales a Nanoescala, un Departamento de Energía de EE.UU., Oficina de Ciencia, Oficina del Fondo para el usuario Ciencias Básicas de Energía en virtud del Contrato N º DE-AC02-06CH11357.

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Nombre del reactivo / material Empresa Número de Catálogo Comentarios
Plextronics tintas Plexcore PV 1000
ITO recubiertos con sustratos de vidrio Delta Technologies, Inc 25 Ohms / sq
30 MHz sintetizado generador de funciones Stanfor Investigación de Sistemas DS345
Amplificador de intensidad Femto DLPCA-200
Multimodo AFM Veeco, Santa Barbara, CA equipado con un controlador Nanoscope-V
DAQ tarjeta National Instruments NI PCI-6115
Pt metálico sondas RMNano 12Pt3008
MATLAB software Mathworks
LabView software National Instruments

References

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