מוליכות כמותית במקביל ומדידת תכונות מכאנית של חומרים אורגניים באמצעות Photovoltaic AFM

המטרה הכוללת של הניסוי הבא היא להבין מנגנוני מוליכות בתערובות פולימר פולרן מופרדות פאזה באמצעות מתאם של מורפולוגיה עם ביצועים חשמליים. מורפולוגיה ותכונות חשמליות של תערובות פולימרים הם שני גורמים עיקריים השולטים בביצועיהם בתוך תאים סולאריים אורגניים. מתאם של מורפולוגיה עם ביצועים חשמליים של הדגימות מושג על ידי מדידות מקבילות של תכונות מכניות וחשמליות של הדגימה באמצעות מיקרוסקופ כוח אטומי עם בקר ביתי ומערכת רכישת נתונים.

זה משמש לאיסוף נתונים שנפתרו מרחבית על תלות מרחק הכוח בין בדיקת A FM למשטח המדגם, כמו גם תלות מרחק של זרם בין בדיקת A FM לדגימה כשלב שני, לבצע ניתוח אוטומטי של עקומות מרחק הכוח ומרחק הזרם שנאספו בכל נקודה של הסריקה. זה מייצר מפות ברזולוציה גבוהה של מגע, נוקשות, כוח משיכה וזרם. לאחר מכן, החל מודל מכניקת מגע משוער כדי לבצע המרה מתמטית של נתוני מגע, קשיחות וזרם על מנת לקבל את מודול יאנג והתנגדות הדגימה.

התוצאות מזהות את האופי הכימי של תחומים בתוך המדגם על סמך חתימה מכנית, כמו גם הבדלים כמותיים במוליכות של פאזות עשירות בפולימר ועוקבות אחר התערובת על סמך מדידות תכונות מכניות וחשמליות במקביל. שיטה זו יכולה לעזור לענות על שאלות מפתח בתחום התפתחות תאים סולאריים אורגניים, כגון יעילות ויציבות של תאים אלה באמצעות הבנת ההשפעות של מורפולוגיה של שכבה פעילה על ביצועים על ביצועי תאי המקור, והמתאם בין הרכב הפנים של השכבה הפעילה לתכונות חשמליות. כמו כן, ניתן ליישם שיטה זו על מערכות אחרות כגון חומרים אלקטרוניים אורגניים וסוללות.

היתרון העיקרי של טכניקה זו על פני שיטות מיפוי מוליכות אחרות הוא שאי הוודאות באזור המגע של דגימת הקצה מתבטלת כמעט. זה אומר שיש לך תמונה הרבה יותר ברורה של תכונות הפנים. הכן את הדגימה לרכישת אותות.

התחל עם דגימת תא סולארי פולימרי P שלוש H-T-P-C-B-M ללא אלקטרודה עליונה. התקן את זה למחזיק דגימה עם מחברים חשמליים חיצוניים למיקרוסקופ הכוח האטומי. לאחר מכן, חבר את מחזיק הדגימה למיקרוסקופ כוח אטומי מסחרי רב-מצבי, המצויד בבקר ננו סקופ חמש.

התקן בדיקה מוליכה לתוך מחזיק בדיקת A FM והתקן את המחזיק במיקרוסקופ. כעת חבר את מכלול הבדיקה למגבר זרם חיצוני. הפלט של המגבר הנוכחי מושרש בכרטיס רכישה דיגיטלי.

רק הגשושית ליצירת חיבור חשמלי בין בדיקת A FM, המדגם ומקור המתח A FM. הקפד לחבר את פלט הסטייה A FM, אות הכוח, פלט גובה הדגימה ואות המרחק לכרטיס רכישה דיגיטלי. הגדר את קצב הרכישה בכרטיסי הרכישה הדיגיטליים ל-250,000 דגימות לשנייה ואת זמן הרכישה לשנייה אחת.

לאחר מכן, החל את ההטיה הרצויה בין בדיקת A FM לדגימות האלקטרודות של התאים הסולאריים. נחקרו הן בשישה וולט חיוביים והן ב-10 וולט שליליים בניסוי זה. כעת הגדר את ה-FM לפעול במצב כוח שיא, איסוף נתוני טופוגרפיה עם נקודת הגדרת כוח שיא של 30 ננו ניוטון, משרעת תנודה תומכת של 300 ננומטר, תדר תנודה תומך של שני קילו-הרץ, קצב סריקה של הרץ אחד ורזולוציה של חמישה 12 על חמישה 12 פיקסלים.

רמת הרעש באות הנוכחי מגשושית A FM עלולה להפריע לרכישת אות טובה. אם זו בעיה, נסה תוכניות חיווט שונות לחיבור מגבר זרם בדיקת FM ומקור המתח אסוף עקומות מרחק כוח ומרחק זרם במקביל לרכישת נתוני טופוגרפיה. כאן, זה נעשה באמצעות תצוגת מעבדה.

Matlab שליטה בניסוי. ניתוח הנתונים מתחיל בקריאת אותות כוח ומרחק הזרם עם חותמת הזמן לתוך MATLAB. עבור ההגדרות המשמשות, צור עקומות זרם מרחק ומרחק של 2000 כוח.

עבור קו הסריקה הראשון, מספר העקומות הוא פונקציה של תדירות תנודת התמיכה וקצב הסריקה. מוצגת כאן עקומה מייצגת עם נתוני המרחק המאולץ המוצגים בכחול, קשיחות המגע ניתנת על ידי זווית אלפא המוגדרת בתרשים ערך כוח המשיכה. המינימום הראשון של הכוח במהלך התגובה מוצג גם מכל עקומה, קובע את קשיחות המגע ואת כוח המשיכה.

העקומה האדומה בתרשים מיועדת לנתוני זרם הכוח, הערך הממוצע של הזרם כאשר התמיכה מתחילה את חלק הנסיגה של התנודה שלה עד שהגשושית נפרדת מהמשטח מכונה הזרם שערכו מוצג. עבור נתונים אלה, קבע זרם זה עבור כל עקומה להשלמתה. קו הסריקה הראשון לקשיחות מגע, כוח משיכה ומפות זרם משלב 2000 נקודות נתונים במרווחים שווים עבור כל אחת מהכמויות הללו ב-512 נקודות כדי להתאים לאות הטופוגרפיה.

חזור על שלבים אלה עבור כל אחד מ-512 קווי הסריקה. דוגמאות לתמונות המתקבלות מוצגות בפינה השמאלית העליונה הן תוצאות של מדידה טופוגרפית. בפינה השמאלית העליונה, מדידות כוח משיכה שנפתרו מרחבית.

הפינה השמאלית התחתונה מציגה את קשיחות המגע. הימני התחתון מראה את הזרם שהדגימה הייתה תא סולארי פולימרי P 3 HT PCBM ללא אלקטרודה עליונה ב-10 וולט שלילי, גודל התמונה הוא 10 מיקרומטר על 10 מיקרומטר. ניתן לבטל את המתאמים בין קשיחות המגע של כוח המשיכה לתמונות הנוכחיות על ידי התחשבות בשינוי באזור המגע בין בדיקת A FM למשטח.

במהלך הניסוי, השתמש בנתונים ובמשוואות המוצגות כדי למצוא את E, מודול יאנג ולחתור את ההתנגדות. המשתנים מוגדרים בפרוטוקול הטקסט המוצג כאן כמודול יאנג המחושב של המדגם שהוצג קודם לכן. מתח ההטיה הוא מינוס 10 וולט.

ניכרים שני סוגים של תחומים עם ModuLite של צעירים שונים. אלה העשירים בפולימר מופיעים בתחומים כחולים, עשירים במילוי הם אדומים כהים. מפות ההתנגדות מספקות מידע על הקישוריות החשמלית בין שכבות התא הסולארי.

להלן מודול הצעירים שנפתרו מרחבית והתנגדות מאזור אחר של אותה דגימה. הפעם עם מתח הטיה של שישה וולט, החצים הלבנים מצביעים לעבר אזורים של תחומים מועשרים מלאים. שימו לב שההתנגדות מתחלפת כפונקציה של קוטביות מתח ההטיה.

לאזורים יש התנגדות נמוכה כאשר יש הטיה שלילית והתנגדות גבוהה כאשר יש הטיה חיובית בעקבות הליך זה. ניתן לבצע שיטות אחרות כמו המרת הספק, מדידת יעילות של התא הסולארי השלם על מנת לענות על שאלות נוספות כמו מתאם של מתאם של מורפולוגיה של השכבה הפעילה בתאים סולאריים אורגניים עם ביצועי המכשיר.