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

L'obiettivo generale del seguente esperimento è quello di comprendere i meccanismi di conducibilità in miscele di polimeri di fullerene separati in fase attraverso la correlazione della morfologia con le prestazioni elettriche. La morfologia e le proprietà elettriche delle miscele di polimeri sono due fattori primari che controllano le loro prestazioni all'interno delle celle solari organiche. La correlazione della morfologia con le prestazioni elettriche dei campioni si ottiene mediante misurazioni simultanee delle proprietà meccaniche ed elettriche del campione utilizzando un microscopio a forza atomica con un controller e un sistema di acquisizione dati costruiti in casa.

Questo viene utilizzato per raccogliere dati spazialmente risolti sulla dipendenza dalla distanza della forza tra la sonda A FM e la superficie del campione, nonché la dipendenza dalla distanza della corrente tra la sonda A FM e il campione come secondo passo, eseguire l'analisi automatica della distanza della forza e delle curve della distanza corrente raccolte in ogni punto della scansione. Ciò produce mappe ad alta risoluzione di contatto, rigidità, forza di strappo e corrente. Successivamente, applicare un modello approssimativo di meccanica del contatto per eseguire una conversione matematica dei dati di contatto, rigidità e corrente al fine di ottenere il modulo di Young e la resistenza del campione.

I risultati identificano la natura chimica dei domini all'interno del campione in base alla firma meccanica, nonché le differenze quantitative nella conducibilità del polimero ricco e nelle successive fasi ricche della miscela sulla base di misure concomitanti delle proprietà meccaniche ed elettriche. Questo metodo può aiutare a rispondere a domande chiave nel campo dello sviluppo di celle solari organiche, come l'efficienza e la stabilità di tali celle attraverso la comprensione degli effetti della morfologia dello strato attivo sulle prestazioni delle celle di origine e la correlazione della composizione frontale dello strato attivo con le proprietà elettriche. Inoltre, questo metodo può essere applicato ad altri sistemi come materiali elettronici organici e batterie.

Il vantaggio principale di questa tecnica rispetto ad altri metodi di mappatura della conducibilità è che l'incertezza nell'area di contatto del campione della punta è praticamente eliminata. Ciò significa che hai un quadro molto più chiaro delle proprietà interfacciali. Preparare il campione per l'acquisizione del segnale.

Iniziare con un campione di cella solare polimerica P tre H-T-P-C-B-M senza elettrodo superiore. Montarlo in un portacampioni con connettori elettrici esterni per il microscopio a forza atomica. Quindi, collegare il portacampione a un microscopio a forza atomica multimodale commerciale, dotato di un controller nano scope five.

Installare una sonda conduttiva nel supporto della sonda FM A e montare il supporto nel microscopio. Collegare ora il gruppo sonda a un amplificatore di corrente esterno. L'uscita dell'amplificatore di corrente è radicata in una scheda di acquisizione digitale.

Basta la sonda per effettuare un collegamento elettrico tra la sonda A FM, il campione e la sorgente di tensione A FM. Assicurarsi di collegare l'uscita di deflessione FM A, il segnale di forza, l'uscita dell'altezza del campione e il segnale di distanza a una scheda di acquisizione digitale. Impostare la velocità di acquisizione sulle schede di acquisizione digitali su 250.000 campioni al secondo e il tempo di acquisizione su un secondo.

Quindi, applicare la polarizzazione desiderata tra la sonda A FM e i campioni dell'elettrodo della cella solare. In questo esperimento sono stati studiati sia a sei volt positivi che a 10 volt negativi. Ora imposta un FM per funzionare in modalità di forza di picco, raccogliendo dati topografici con un punto di impostazione della forza di picco di 30 nano Newton, un'ampiezza di oscillazione del supporto di 300 nanometri, una frequenza di oscillazione del supporto di due kilohertz, una velocità di scansione di un hertz e una risoluzione di cinque 12 x cinque 12 pixel.

Il livello di rumore sul segnale di corrente proveniente dalla sonda FM A può interferire con una buona acquisizione del segnale. Se questo è un problema, provare diversi schemi di cablaggio per collegare l'amplificatore di corrente della sonda FM A e la sorgente di tensione Raccogli le curve della distanza della forza e della distanza della corrente contemporaneamente all'acquisizione dei dati topografici. In questo caso, questa operazione viene eseguita utilizzando la visualizzazione lab.

Controllo dell'esperimento da parte di Matlab. L'analisi dei dati inizia con la lettura dei segnali di forza e distanza correnti con timestamp in MATLAB. Per le impostazioni utilizzate, creare curve di forza, distanza e corrente di 2000 forze.

Per la prima linea di scansione, il numero di curve è una funzione della frequenza di oscillazione del supporto e della velocità di scansione. Qui è mostrata una curva rappresentativa con i dati della distanza forzata mostrati in blu, la rigidezza del contatto è data dall'angolo alfa definito nel diagramma il valore della forza di strappo. Il primo minimo della forza durante la reazione è mostrato anche da ogni curva, determina la rigidità del contatto e la forza di strappo.

La curva rossa nel diagramma è per i dati della corrente di forza, il valore medio della corrente quando il supporto inizia la parte di retrazione della sua oscillazione fino a quando la sonda non si separa dalla superficie è indicato come la corrente in cui viene mostrato il suo valore. Per questi dati, determinare questa corrente per ogni curva da completare. La prima linea di scansione per la rigidità del contatto, la forza di strappo e le mappe di corrente interpola 2000 punti dati equidistanti per ciascuna di queste quantità di 512 punti per corrispondere al segnale topografico.

Ripetere questi passaggi per ciascuna delle 512 linee di scansione. Esempi delle immagini risultanti sono mostrati in alto a sinistra sono i risultati della misurazione topografica. In alto a destra, una misurazione della forza di strappo spazialmente risolta.

In basso a sinistra mostra la rigidità del contatto. In basso a destra mostra la corrente, il campione era una cella solare polimerica P tre HT PCBM senza elettrodo superiore a 10 volt negativi, la dimensione dell'immagine è di 10 micrometri per 10 micrometri. Le correlazioni tra la rigidità del contatto della forza di strappo e le immagini correnti possono essere eliminate tenendo conto della variazione dell'area di contatto tra la sonda A FM e la superficie.

Durante l'esperimento, utilizzare i dati e le equazioni visualizzate per trovare E, il modulo di Young e la resistività. Le variabili sono definite nel protocollo di testo mostrato qui come il modulo di Young calcolato del campione mostrato in precedenza. La tensione di polarizzazione è di meno 10 volt.

Sono evidenti due tipi di domini con diversi ModuLite di young. Quelli ricchi di polimero compaiono nei domini blu, ricchi di follatura sono rosso scuro. Le mappe di resistività forniscono informazioni sulla connettività elettrica tra gli strati della cella solare.

Ecco il modulo di Young e la resistività spazialmente risolti da una regione diversa dello stesso campione. Questa volta con una tensione di polarizzazione di sei volt, le frecce bianche puntano verso regioni di domini completamente arricchiti. Si noti che la resistività cambia in funzione della polarità della tensione di polarizzazione.

Le regioni hanno una bassa resistività quando c'è un bias negativo e un'alta resistività quando c'è un bias positivo Seguendo questa procedura. Altri metodi come la conversione di potenza, la misurazione dell'efficienza dell'intera cella solare possono essere eseguiti per rispondere a domande aggiuntive come la correlazione della correlazione della morfologia dello strato attivo nelle celle solari organiche con le prestazioni del dispositivo.