Articolo metodologico

Concurrent conducibilità quantitativa e meccaniche Misure Proprietà dei materiali organici fotovoltaici utilizzando AFM

DOI:

10.3791/50293

⸱

23 gennaio 2013

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

In questo articolo

Sommario

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Organici fotovoltaici (OPV) i materiali sono per loro natura non omogenea su scala nanometrica. Nanoscale disomogeneità dei materiali OPV influisce sulle prestazioni dei dispositivi fotovoltaici. In questo articolo, si descrive un protocollo per la misurazione quantitativa di proprietà elettriche e meccaniche dei materiali OPV con sub-risoluzione di 100 nm.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Organici fotovoltaici (OPV) i materiali sono per loro natura non omogenea su scala nanometrica. Nanoscale disomogeneità dei materiali OPV influisce sulle prestazioni dei dispositivi fotovoltaici. Pertanto, la comprensione delle variazioni spaziali nella composizione e proprietà elettriche dei materiali OPV è di fondamentale importanza per lo spostamento in avanti della tecnologia fotovoltaica. 1,2 In questo lavoro, si descrive un protocollo per la misurazione quantitativa di proprietà elettriche e meccaniche dei materiali OPV con sub -100 nm risoluzione. Attualmente, le proprietà dei materiali misurazioni effettuate utilizzando disponibili in commercio a base di tecniche di AFM (PeakForce, AFM conduttivo) generalmente forniscono solo informazioni di tipo qualitativo. I valori di resistenza e modulo di Young misurato con il nostro metodo sul prototipo ITO / PEDOT: PSS/P3HT: PC 61 sistema BM corrispondono bene con i dati della letteratura. Il P3HT: PC 61 miscela BM separa sul PC 61 BM-ricchi e P3HT ricco di domains. Proprietà meccaniche del PC 61 domini ricchi e BM-P3HT-ricchi sono diversi, che consente di attribuzione dominio sulla superficie della pellicola. Soprattutto, combinando i dati meccanici ed elettrici consente per la correlazione della struttura dei domini sulla superficie del film con proprietà elettriche variazione misurata attraverso lo spessore del film.

Introduzione

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Innovazioni più recenti in termini di efficienza di conversione di potenza (PCE) di fotovoltaico organico (OPV) cellule (spingendo il 10% a livello di cella) 3 di concerto con il rispetto ai processi di produzione ad alto rendimento e basso costo 4 hanno portato i riflettori sulla tecnologia OPV come possibile soluzione per la sfida di fabbricazione economica di celle solari di grande superficie. Materiali OPV sono intrinsecamente disomogenei su scala nanometrica. Nanoscale disomogeneità dei materiali OPV e le prestazioni dei dispositivi fotovoltaici sono intimamente connessi. Pertanto, la comprensione disomogeneità nella composizione e proprietà elettriche dei materiali OPV è di fondamentale importanza per lo spostamento in avanti della tecnologia OPV. Microscopia a forza atomica (AFM) è stato sviluppato come strumento per misure ad alta risoluzione della topografia di superficie dal 1986. 5 Al giorno d'oggi, le tecniche per le proprietà dei materiali (modulo di Young, 6-10 funzione di lavoro, 11 condottamisure ivity, 12 elettromeccanica, 13-15 ecc) stanno attirando una crescente attenzione. Nel caso di materiali OPV, la correlazione di composizione della fase locale e le proprietà elettriche promettente per rivelare una migliore comprensione del funzionamento interno delle celle solari organiche. 1, 16-17 AFM tecniche basate sono in grado di ad alta risoluzione fase di attribuzione 8 e come proprietà elettriche di mappatura in materiali polimerici. Pertanto, in linea di principio, la correlazione di fase composizione polimerica (attraverso misurazioni meccaniche) 18 e proprietà elettriche è possibile utilizzando tecniche basate AFM. Molte tecniche basate AFM per misure di proprietà meccaniche ed elettriche dei materiali usare l'assunzione di area costante di contatto tra la sonda AFM e la superficie. Questa assunzione spesso non riesce, che risulta in forte correlazione tra topografia superficiale e le proprietà meccaniche / elettriche. Recentemente, una nuova tecnica basata AFM perhigh-throughput misure di proprietà meccaniche (PeakForce) 19 è stato introdotto. TONNO PeakForce (variante del metodo PeakForce) fornisce una piattaforma per misure simultanee di proprietà meccaniche ed elettriche del campione. Tuttavia, il metodo di TONNO PeakForce produce mappe di proprietà meccaniche ed elettriche, che di solito sono fortemente correlati a causa della variabilità dispersi di contatto durante le misurazioni. In questo articolo presentiamo un protocollo sperimentale per la rimozione correlazioni associati con raggio variabile contatto mantenendo misurazioni accurate delle proprietà meccaniche ed elettriche mediante AFM. Attuazione dei risultati del protocollo di misure quantitative di resistenza dei materiali "e modulo di Young.

Accesso limitato. Accedi o avvia una prova gratuita per visualizzare questo contenuto.

Protocollo

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Acquisizione del segnale

  1. Installare campione (cella solare polimerica senza catodo (ITO / PEDOT: PSS/P3HT: PC 61 BM)) in uno spot AFM Multimode (Veeco, Santa Barbara, CA) equipaggiato con Nanoscope-V controller.
  2. Installare AFM conduttivo sonda in Multimode supporto sonda AFM.
  3. Creare il collegamento elettrico tra la sonda AFM, campione e sorgente di tensione.
  4. Percorso di uscita amplificatore di corrente (segnale di corrente), Multimode AFM flessione uscita (forza del segnale), Multimode AFM di campionamento di uscita altezza (segnale di distanza) in una scheda di acquisizione digitale (NI-DAQ PCI-6115). Il guadagno su Femto DLPCA-200 amplificatore di corrente è di 1 nA / V a 50 kHz di banda.
  5. Applicare polarizzazione 6V tra AFM sonda e l'elettrodo ITO.
  6. Eseguire Multimode AFM in modalità PeakForceTM raccogliendo segnale topografia: picco set point forza di 30 nN, una ampiezza di oscillazione del supporto 300 nm, una frequenza di oscillazione di supporto 2 kHz, una velocità di scansione di 1 Hz, e una risoluil di 512 x 512 pixel.
  7. Raccogliere i segnali di cui alla sezione D con LabView / MATLAB controllo in concomitanza con l'acquisizione del segnale di topografia (e passo).

2. Analisi dei dati Fase 1: Generazione di Pull-off Forza, rigidezza di contatto, e mappe attuali

  1. Leggi cronodatati segnali di corrente, di forza e la distanza in MATLAB.
  2. Crea 2.000 forza - distanza, e la forza - curve di corrente per la prima linea di scansione. Numero di curve è una funzione della frequenza di oscillazione di supporto e velocità di scansione.
  3. Da ogni forza - curva di distanza, stabilire contatti rigidità e pull-off-forza durante l'estrazione della sonda AFM (Figura 1).
  4. Da ogni forza - curva di corrente, determinare la corrente media mentre la sonda AFM è a contatto con la superficie durante il ritiro (Figura 1).
  5. Interpolare 2000 rigidezza di contatto equidistanti, pull-off-forza, e attuali punti di 512 punti da abbinare risoluzionezione del segnale topografia. La prima linea di scansione per la rigidezza di contatto, pull-off-forza, e mappe aggiornate è fatto.
  6. Crea contatto rigidità, pull-off-forza, e mappe aggiornate ripetendo i passaggi da B ad E 512 volte. Risultati sono mostrati in Figura 2.

3. Dati Fase Analisi 2: Eliminazione di Contact-zona artefatti

  1. Utilizzare l'equazione (1) e (2) per ottenere Modulo di Young (MATERIALI E) e la resistenza (ρ) del materiale in ogni punto della scansione: 20
    figure-protocol-1
     con F = F ADH PULL - 8 nN (adesione a causa del menisco dell'acqua tra la AFM e la superficie), 20 rigidezza di contatto (k), e corrente (I) le mappe, la tensione sondaggio (V), spessore del film (L), e adesioneenergia (w = γ + γ SONDA MATERIA L - γ SONDA - MATERIALE, dove γ SONDA - energia superficiale del materiale della sonda, MATERIALE γ - energia superficiale del materiale del campione, e γ-PROBE MATERIALE - energia interfacciale di materiale campione e materiale sonda) . 20

Accesso limitato. Accedi o avvia una prova gratuita per visualizzare questo contenuto.

Risultati

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Modulo di Young e resistività mappe (Figura 3) presenti risultati tipici delle misurazioni sopra descritte. Proprietà meccaniche ed elettriche del ITO / PEDOT: PSS/P3HT: PC 61 pila BM stati misurati al negativo (-10 V) e positivo (+6 V) tensioni applicate alla sonda AFM. Artefatti di imaging, associati all'interazione elettrostatica tra la sonda AFM e il campione, sono un problema comune per le misure quantitative di proprietà funzionali utilizzando AFM. La somiglianza di grandezza moduli di ...

Accesso limitato. Accedi o avvia una prova gratuita per visualizzare questo contenuto.

Dichiarazioni

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Nessun conflitto di interessi dichiarati.

Ringraziamenti

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

MPN è grato al Fellowship Program del direttore di un sostegno finanziario. MPN vuole ringraziare Yu-Chih Tseng di aiuto per lo sviluppo del protocollo per l'elaborazione delle celle solari. Questo lavoro è stato svolto presso il Centro di materiali su nanoscala, un Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, Office of Science, Ufficio di Basic Funzione utente energia Scienze nell'ambito del contratto n ° DE-AC02-06CH11357.

Accesso limitato. Accedi o avvia una prova gratuita per visualizzare questo contenuto.

Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
Nome del reagente / materiale Azienda Numero di catalogo Commenti
Plextronics inchiostri Plexcore PV 1000
ITO-vetro rivestite substrati Delta Technologies, Inc 25 ohm / sq
30 MHz sintetizzato generatore di funzioni Stanfor Research Systems DS345
Amplificatore di corrente Femto DLPCA-200
Multimode AFM Veeco, Santa Barbara, CA dotato Nanoscope-V controllore
Scheda DAQ National Instruments NI PCI-6115-
Metallo Pt sonde RMNano 12Pt3008
MATLAB software Mathworks
LabView software National Instruments

Riferimenti

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Chen, W., Nikiforov, M. P., Darling, S. B. Morphology characterization in organic and hybrid solar cells. Energy Environ. Sci. , (2012).
  2. Dupont, S. R., Oliver, M., Krebs, F. C., Dauskardt, R. H. Interlayer adhesion in roll-to-roll processed flexible inverted polymer solar cells. Sol. Energy. 97, 171-175 (2012).
  3. Green, M. A., Emery, K., Hishikawa, Y., Warta, W., Dunlop, E. D. Solar cell efficiency tables (version 39). Progress in Photovoltaics. 20 (1), 12-20 (2012).
  4. Krebs, F. C., Gevorgyan, S. A., Alstrup, J. A roll-to-roll process to flexible polymer solar cells: model studies, manufacture and operational stability studies. Journal of Materials Chemistry. 19 (30), 5442-5451 (2009).
  5. Binnig, G., Quate, C. F., Gerber, C. Atomic Force Microscope. Physical Review Letters. 56 (9), 930-933 (1986).
  6. Hurley, D. C., Kopycinska-Muller, M., Kos, A. B., Geiss, R. H. Nanoscale elastic-property measurements and mapping using atomic force acoustic microscopy methods. Measurement Science & Technology. 16 (11), 2167-2172 (2005).
  7. Jesse, S., Nikiforov, M. P., Germinario, L. T., Kalinin, S. V. Local thermomechanical characterization of phase transitions using band excitation atomic force acoustic microscopy with heated probe. Applied Physics Letters. 93 (7), (2008).
  8. Nikiforov, M. P., Gam, S., Jesse, S., Composto, R. J., Kalinin, S. V. Morphology Mapping of Phase-Separated Polymer Films Using Nanothermal Analysis. Macromolecules. 43 (16), 6724-6730 (2010).
  9. Nikiforov, M. P., Jesse, S., Morozovska, A. N., Eliseev, E. A., Germinario, L. T., Kalinin, S. V. Probing the temperature dependence of the mechanical properties of polymers at the nanoscale with band excitation thermal scanning probe microscopy. Nanotechnology. 20 (39), (2009).
  10. Rabe, U., Amelio, S., Kopycinska, M., Hirsekorn, S., Kempf, M., Goken, M., Arnold, W. Imaging and measurement of local mechanical material properties by atomic force acoustic microscopy. Surface and Interface Analysis. 33 (2), 65-70 (2002).
  11. Nikiforov, M. P., Zerweck, U., Milde, P., Loppacher, C., Park, T. -H., Uyeda, H. T., Therien, M. J., Eng, L., Bonnell, D. The effect of molecular orientation on the potential of porphyrin-metal contacts. Nano Letters. 8 (1), 110-113 (2008).
  12. Nikiforov, M. N., Brukman, M. J., Bonnell, D. A. High-resolution characterization of defects in oxide thin films. Applied Physics Letters. 93 (18), (2008).
  13. Kalinin, S. V., Karapetian, E., Kachanov, M. Nanoelectromechanics of piezoresponse force microscopy. Physical Review B. 70 (18), (2004).
  14. Kolosov, O., Gruverman, A., Hatano, J., Takahashi, K., Tokumoto, H. Nanoscale Visualization and Control of Ferroelectric Domains by Atomic-Force Microscopy. Physical Review Letters. 74 (21), 4309-4312 (1995).
  15. Nikiforov, M. P., Thompson, G. L., Reukov, V. V., Jesse, S., Guo, S., Rodriguez, B. J., Seal, K., Vertegel, A. A., Kalinin, S. V. Double-Layer Mediated Electromechanical Response of Amyloid Fibrils in Liquid Environment. Acs Nano. 4 (2), 689-698 (2010).
  16. Botiz, I., Darling, S. B. Optoelectronics using block copolymers. Materials Today. 13 (5), 42-51 (2010).
  17. Brabec, C. J., Heeney, M., McCulloch, I., Nelson, J. Influence of blend microstructure on bulk heterojunction organic photovoltaic performance. Chemical Society Reviews. 40 (3), 1185-1199 (2011).
  18. Karagiannidis, P. G., Kassavetis, S., Pitsalidis, C., Logothetidis, S. Thermal annealing effect on the nanomechanical properties and structure of P3HT: PCBM thin films. Thin Solid Films. 519 (12), 4105-4109 (2011).
  19. Sweers, K., vander Werf, K., Bennink, M., Subramaniam, V. Nanomechanical properties of alpha-synuclein amyloid fibrils: a comparative study by nanoindentation, harmonic force microscopy, and Peakforce QNM. Nanoscale Research Letters. 6, (2011).
  20. Nikiforov, M. P., Darling, S. B. Improved conductive atomic force microscopy measurements on organic photovoltaic materials via mitigation of contact area uncertainty. Progress in Photovoltaics: Research and Applications. , (2012).
  21. Li, H. -C., Rao, K. K., Jeng, J. -Y., Hsiao, Y. -J., Guo, T. -F., Jeng, Y. -R., Wen, T. -C. Nano-scale mechanical properties of polymer/fullerene bulk hetero-junction films and their influence on photovoltaic cells. Solar Energy Materials and Solar Cells. 95 (11), 2976-2980 (2011).
  22. Mueller, C., Goffri, S., Breiby, D. W., Andreasen, J. W., Chanzy, H. D., Janssen, R. A. J., Nielsen, M. M., Radano, C. P., Sirringhaus, H., Smith, P., Stingelin-Stutzmann, N. Tough, semiconducting polyethylene-poly(3-hexylthiophene) diblock copolymers. Advanced Functional Materials. 17 (15), 2674-2679 (2007).
  23. Kuila, B. K., Nandi, A. K. Physical, mechanical, and conductivity properties of poly(3-hexylthiophene)-montmorillonite clay nanocomposites produced by the solvent casting method. Macromolecules. 37 (23), 8577-8584 (2004).
  24. O'Connor, B., Chan, E. P., Chan, C., Conrad, B. R., Richter, L. J., Kline, R. J., Heeney, M., McCulloch, I., Soles, C. L., DeLongchamp, D. M. Correlations between Mechanical and Electrical Properties of Polythiophenes. Acs Nano. 4 (12), 7538-7544 (2010).
  25. Tahk, D., Lee, H. H., Khang, D. -Y. Elastic Moduli of Organic Electronic Materials by the Buckling Method. Macromolecules. 42 (18), 7079-7083 (2009).
  26. Kuila, B. K., Nandi, A. K. Structural hierarchy in melt-processed poly(3-hexyl thiophene)-montmorillonite clay nanocomposites: Novel physical, mechanical, optical, and conductivity properties. Journal of Physical Chemistry B. 110 (4), 1621-1631 (2006).
  27. Nikiforov, M. P., Darling, S. B. Improved conductive atomic force microscopy measurements on organic photovoltaic materials via mitigation of contact area uncertainty. Progress in Photovoltaics: Research and Applications. , In Press (2012).
  28. Kim, J. Y., Frisbie, D. Correlation of Phase Behavior and Charge Transport in Conjugated Polymer/Fullerene Blends. Journal of Physical Chemistry C. 112 (45), 17726-17736 (2008).
  29. Bange, S., Kuksov, A., Neher, D., Vollmer, A., Koch, N., Ludemann, A., Heun, S. The role of poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulphonate) as a hole injection layer in a blue-emitting polymer light-emitting diode. Journal of Applied Physics. 104 (10), (2008).

Accesso limitato. Accedi o avvia una prova gratuita per visualizzare questo contenuto.

Ristampe e permessi

Richiedi il permesso di riutilizzare il testo o le figure di questo articolo JoVE

Richiedi permesso

Tag

Misure di conduttivit AFMAnalisi delle propriet meccanicheMisure elettriche simultaneeMicroscopia a forza atomicaModalit PeakForceSonda AFM conduttivaMappatura del modulo di YoungMappatura della resistivitBlend a separazione di fase

Articoli correlati