Parallèlement conductivité quantitatives et mesures mécaniques Propriétés des matériaux organiques photovoltaïques par AFM

L’objectif général de l’expérience suivante est de comprendre les mécanismes de conductivité dans les mélanges de polymères de fullerène séparés en phase séparée par corrélation de la morphologie avec les performances électriques. La morphologie et les propriétés électriques des mélanges de polymères sont deux facteurs principaux qui contrôlent leurs performances à l’intérieur des cellules solaires organiques. La corrélation de la morphologie avec les performances électriques des échantillons est obtenue par des mesures simultanées des propriétés mécaniques et électriques de l’échantillon à l’aide d’un microscope à force atomique avec un contrôleur et un système d’acquisition de données faits maison.

Ceci est utilisé pour collecter des données spatialement résolues sur la dépendance de distance de la force entre la sonde A FM et la surface de l’échantillon, ainsi que sur la dépendance de la distance du courant entre la sonde A FM et l’échantillon dans un deuxième temps, effectuer une analyse automatique de la distance de force et des courbes de distance de courant collectées à chaque point du balayage. Cela produit des cartes haute résolution du contact, de la rigidité, de la force de traction et du courant. Ensuite, appliquez un modèle approximatif de mécanique du contact pour exécuter une conversion mathématique des données de contact, de rigidité et de courant afin d’obtenir le module de Young et la résistance de l’échantillon.

Les résultats identifient la nature chimique des domaines dans l’échantillon sur la base de la signature mécanique, ainsi que les différences quantitatives de conductivité des phases riches en polymères et des phases riches suivantes du mélange sur la base de mesures simultanées des propriétés mécaniques et électriques. Cette méthode peut aider à répondre à des questions clés dans le domaine du développement de cellules solaires organiques, telles que l’efficacité et la stabilité de ces cellules en comprenant les effets de la morphologie de la couche active sur les performances de la cellule source, et la corrélation de la composition faciale de la couche active avec les propriétés électriques. En outre, cette méthode peut être appliquée à d’autres systèmes tels que les matériaux électroniques organiques et les batteries.

Le principal avantage de cette technique par rapport aux autres méthodes de cartographie de la conductivité est que l’incertitude dans la zone de contact de l’échantillon de pointe est pratiquement éliminée. Cela signifie que vous avez une image beaucoup plus claire des propriétés interfaciales. Préparez l’échantillon pour l’acquisition du signal.

Commencez avec un échantillon de cellule solaire polymère P trois H-T-P-C-B-M sans électrode supérieure. Montez le tout dans un porte-échantillon avec des connecteurs électriques externes pour le microscope à force atomique. Ensuite, connectez le porte-échantillon à un microscope à force atomique multimode commercial, équipé d’un contrôleur nanoscopique cinq.

Installez une sonde conductrice dans le support de sonde A FM et montez le support dans le microscope. Connectez maintenant l’ensemble de la sonde à un amplificateur de courant externe. La sortie de l’amplificateur de courant est enracinée dans une carte d’acquisition numérique.

Juste la sonde pour faire une connexion électrique entre la sonde A FM, l’échantillon et la source de tension A FM. Assurez-vous de connecter la sortie de déviation FM A, le signal de force, la sortie de hauteur d’échantillon et le signal de distance à une carte d’acquisition numérique. Réglez le taux d’acquisition sur les cartes d’acquisition numériques sur 250 000 échantillons par seconde et le temps d’acquisition sur une seconde.

Ensuite, appliquez le biais souhaité entre la sonde A FM et les échantillons d’électrodes de la cellule solaire. Ils ont été étudiés à la fois à plus six volts et à moins 10 volts dans cette expérience. Réglez maintenant un FM pour qu’il fonctionne en mode de force de crête, en collectant des données topographiques avec un point de consigne de force de crête de 30 nano Newtons, une amplitude d’oscillation de support de 300 nanomètres, une fréquence d’oscillation de support de deux kilohertz, une vitesse de balayage d’un hertz et une résolution de cinq 12 par cinq 12 pixels.

Le niveau de bruit sur le signal actuel de la sonde FM A peut interférer avec une bonne acquisition du signal. Si cela pose problème, essayez différents schémas de câblage pour connecter l’amplificateur de courant de sonde A FM et la source de tension Collectez les courbes de distance de force et de distance de courant en même temps que l’acquisition des données topographiques. Ici, cela se fait à l’aide de la vue laboratoire.

Contrôle Matlab de l’expérience. L’analyse des données commence par la lecture des signaux de force de courant et de distance horodatés dans MATLAB. Pour les paramètres utilisés, créez des courbes de force, de distance et de courant de 2000

Pour la première ligne de balayage, le nombre de courbes est fonction de la fréquence d’oscillation du support et de la vitesse de balayage. Voici une courbe représentative avec les données de distance forcée indiquées en bleu, la rigidité de contact est donnée par l’angle alpha défini sur le schéma la valeur de la force de traction. Le premier minimum de la force pendant la réaction est également montré à partir de chaque courbe, déterminez la rigidité de contact et la force de traction.

La courbe rouge dans le diagramme correspond aux données de courant de force, la valeur moyenne du courant lorsque le support commence la partie rétraction de son oscillation jusqu’à ce que la sonde se sépare de la surface est appelée le courant, sa valeur est indiquée. Pour ces données, déterminez ce courant pour chaque courbe à compléter. La première ligne de balayage pour la rigidité de contact, la force de traction et les cartes de courant interpole 2000 points de données équidistants pour chacune de ces grandeurs par 512 points pour correspondre au signal topographique.

Répétez ces étapes pour chacune des 512 lignes de balayage. Des exemples d’images résultantes sont présentés en haut à gauche et sont les résultats de mesures topographiques. En haut à droite, une mesure de force d’arrachement résolue dans l’espace.

Le bas à gauche montre la rigidité du contact. Le bas à droite montre le courant que l’échantillon était une cellule solaire polymère P trois HT PCBM sans électrode supérieure à moins 10 volts, la taille de l’image est de 10 micromètres par 10 micromètres. Les corrélations entre la force de traction, la rigidité de contact et les images actuelles peuvent être éliminées en tenant compte de la variation de la surface de contact entre la sonde A FM et la surface.

Au cours de l’expérience, utilisez les données et les équations affichées pour trouver E, le module de Young et ramer la résistivité. Les variables sont définies dans le protocole de texte illustré ici comme le module de Young calculé de l’échantillon montré précédemment. La tension de polarisation est de moins 10 volts.

Deux types de domaines avec des ModuLite jeunes différents sont évidents. Ceux riches en polymère apparaissent dans des domaines bleus, riches en foulon sont rouge foncé. Les cartes de résistivité fournissent des informations sur la connectivité électrique entre les couches de la cellule solaire.

Voici le module de Young et la résistivité spatialement résolus d’une région différente du même échantillon. Cette fois-ci, avec une tension de polarisation de six volts, les flèches blanches pointent vers des régions de domaines entièrement enrichis. Notez que la résistivité commute en fonction de la polarité de la tension de polarisation.

Les régions ont une faible résistivité lorsqu’il y a un biais négatif et une résistivité élevée lorsqu’il y a un biais positif Suite à cette procédure. D’autres méthodes telles que la conversion de puissance, la mesure de l’efficacité de la cellule solaire complète peuvent être effectuées afin de répondre à des questions supplémentaires telles que la corrélation de la morphologie de la couche active dans les cellules solaires organiques avec les performances du dispositif.