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

El objetivo general del siguiente experimento es comprender los mecanismos de conductividad en mezclas de polímeros de fullereno separados por fase a través de la correlación de la morfología con el rendimiento eléctrico. La morfología y las propiedades eléctricas de las mezclas de polímeros son dos factores principales que controlan su rendimiento dentro de las células solares orgánicas. La correlación de la morfología con el rendimiento eléctrico de las muestras se logra mediante mediciones simultáneas de las propiedades mecánicas y eléctricas de la muestra utilizando un microscopio de fuerza atómica con un controlador y un sistema de adquisición de datos construidos en casa.

Esto se utiliza para recopilar datos resueltos espacialmente sobre la dependencia de la distancia de la fuerza entre la sonda A FM y la superficie de la muestra, así como la dependencia de la distancia de la corriente entre la sonda A FM y la muestra como segundo paso, realizar un análisis automático de las curvas de fuerza-distancia y distancia actual recopiladas en cada punto del escaneo. Esto produce mapas de alta resolución de contacto, rigidez, fuerza de tracción y corriente. A continuación, se aplica un modelo de mecánica de contacto aproximado para ejecutar una conversión matemática de los datos de contacto, rigidez y corriente con el fin de obtener el módulo de young y la resistencia de la muestra.

Los resultados identifican la naturaleza química de los dominios dentro de la muestra en función de la firma mecánica, así como las diferencias cuantitativas en la conductividad de las fases ricas en polímeros y las siguientes fases ricas de la mezcla en función de las mediciones concurrentes de las propiedades mecánicas y eléctricas. Este método puede ayudar a responder preguntas clave en el campo del desarrollo de células solares orgánicas, como la eficiencia y la estabilidad de esas células a través de la comprensión de los efectos de la morfología de la capa activa en el rendimiento de la célula fuente y la correlación de la composición frontal de la capa activa con las propiedades eléctricas. Además, este método se puede aplicar a otros sistemas, como materiales electrónicos orgánicos y baterías.

La principal ventaja de esta técnica sobre otros métodos de mapeo de conductividad es que la incertidumbre en el área de contacto de la muestra de la punta se elimina virtualmente. Esto significa que tiene una imagen mucho más clara de las propiedades interfaciales. Prepare la muestra para la adquisición de señales.

Comience con una muestra de célula solar de polímero P tres H-T-P-C-B-M sin un electrodo superior. Móntelo en un portamuestras con conectores eléctricos externos para el microscopio de fuerza atómica. A continuación, conecte el portamuestras a un microscopio de fuerza atómica multimodo comercial, equipado con un controlador de nanoscopio cinco.

Instale una sonda conductora en el soporte de la sonda A FM y monte el soporte en el microscopio. Ahora conecte el conjunto de la sonda a un amplificador de corriente externo. La salida del amplificador de corriente está enraizada en una tarjeta de adquisición digital.

Solo la sonda para hacer una conexión eléctrica entre la sonda A FM, la muestra y la fuente de voltaje A FM. Asegúrese de conectar la salida de deflexión A FM, la señal de fuerza, la salida de altura de muestra y la señal de distancia a una tarjeta de adquisición digital. Establezca la velocidad de adquisición en las tarjetas de adquisición digital en 250.000 muestras por segundo y el tiempo de adquisición en un segundo.

A continuación, aplique el sesgo deseado entre la sonda A FM y las muestras de electrodos de la célula solar. Se estudiaron tanto a seis voltios positivos como a 10 voltios negativos en este experimento. Ahora configure el a FM para que se ejecute en modo de fuerza máxima, recopilando datos de topografía con un punto de ajuste de fuerza máxima de 30 nano Newtons, una amplitud de oscilación de soporte de 300 nanómetros, una frecuencia de oscilación de soporte de dos kilohercios, una velocidad de escaneo de un hercio y una resolución de cinco 12 por cinco 12 píxeles.

El nivel de ruido en la señal actual de la sonda A FM puede interferir con una buena adquisición de la señal. Si esto es un problema, pruebe diferentes esquemas de cableado para conectar el amplificador de corriente de la sonda FM A y la fuente de voltaje Recopile las curvas de distancia de fuerza y distancia de corriente simultáneamente con la adquisición de datos de topografía. Aquí, esto se hace usando la vista de laboratorio.

Control Matlab del experimento. El análisis de datos comienza con la lectura de las señales de fuerza y distancia de corriente con marca de tiempo en MATLAB. Para los ajustes utilizados, cree curvas de fuerza, distancia y distancia de 2000 y corriente.

Para la primera línea de escaneo, el número de curvas es una función de la frecuencia de oscilación del soporte y la velocidad de escaneo. Aquí se muestra una curva representativa con los datos de distancia forzada mostrados en azul, la rigidez de contacto viene dada por el ángulo alfa definido en el diagrama, el valor de la fuerza de tracción. El primer mínimo de la fuerza durante la reacción también se muestra desde cada curva, determine la rigidez de contacto y la fuerza de tracción.

La curva roja en el diagrama es para los datos de corriente de fuerza, el valor promedio de la corriente cuando el soporte comienza la parte de retracción de su oscilación hasta que la sonda se separa de la superficie se refiere a la corriente y se muestra su valor. Para obtener estos datos, determine esta corriente para cada curva que se va a completar. La primera línea de escaneo para la rigidez de contacto, la fuerza de arranque y los mapas de corriente interpolan 2000 puntos de datos igualmente espaciados para cada una de estas cantidades por 512 puntos para que coincidan con la señal de topografía.

Repita estos pasos para cada una de las 512 líneas de escaneo. Ejemplos de las imágenes resultantes, en la parte superior izquierda se muestran los resultados de la medición topográfica. En la parte superior derecha, mediciones de la fuerza de arranque resueltas espacialmente.

La parte inferior izquierda muestra la rigidez de contacto. La parte inferior derecha muestra la corriente, la muestra era una célula solar de polímero P three HT PCBM sin electrodo superior a 10 voltios negativos, el tamaño de la imagen es de 10 micrómetros por 10 micrómetros. Las correlaciones entre la fuerza de tracción, la rigidez de contacto y las imágenes actuales se pueden eliminar teniendo en cuenta el cambio en el área de contacto entre la sonda A FM y la superficie.

Durante el experimento, usa los datos y las ecuaciones mostradas para encontrar E, el módulo de Young y fila la resistividad. Las variables se definen en el protocolo de texto que se muestra aquí como el módulo de Young calculado de la muestra mostrada anteriormente. El voltaje de polarización es de menos 10 voltios.

Son evidentes dos tipos de dominios con diferentes ModuLite jóvenes. Los ricos en polímero aparecen en dominios azules, los ricos en batán son de color rojo oscuro. Los mapas de resistividad proporcionan información sobre la conectividad eléctrica entre las capas de la célula solar.

Aquí están el módulo de Young y la resistividad resolutados espacialmente de una región diferente de la misma muestra. Esta vez con un voltaje de polarización de seis voltios, las flechas blancas apuntan hacia regiones de dominios completamente enriquecidos. Tenga en cuenta que la resistividad cambia en función de la polaridad del voltaje de polarización.

Las regiones tienen una resistividad baja cuando hay un sesgo negativo y una resistividad alta cuando hay un sesgo positivo Siguiendo este procedimiento. Se pueden realizar otros métodos, como la conversión de energía, la medición de la eficiencia de la célula solar completa para responder a preguntas adicionales como la correlación de la morrelación de la morfología de la capa activa en las células solares orgánicas con el rendimiento del dispositivo.