同時定量伝導率およびAFMを用いた有機太陽電池材料の機械的特性の測定

次の実験の全体的な目的は、形態と電気的性能の相関を通じて、相分離されたフラーレンポリマーブレンドの伝導メカニズムを理解することです。ポリマーブレンドの形態と電気的特性は、有機太陽電池内での性能を制御する2つの主要な要因です。形態とサンプルの電気的性能との相関関係は、自作のコントローラーとデータ収集システムを備えた原子間力顕微鏡を使用して、サンプルの機械的特性と電気的特性を同時に測定することによって達成されます。

これは、A FMプローブとサンプル表面との間の力の距離依存性、およびA FMプローブとサンプルとの間の電流の距離依存性に関する空間的に分解されたデータを収集するために使用され、第2ステップとして、スキャンの各ポイントで収集された力距離と電流距離曲線の自動分析を実行します。これにより、接触、剛性、引き抜き力、電流の高解像度マップが生成されます。次に、近似接触力学モデルを適用して、接触、剛性、電流データの数学的変換を実行し、サンプルのヤング率と抵抗を求めます。

その結果、機械的特性に基づいてサンプル内のドメインの化学的性質が特定されるだけでなく、同時に機械的および電気的特性の測定に基づいて、ポリマーリッチな混合物の導電率とその後のリッチな相の導電率の定量的な違いが特定されます。この方法は、活性層の形態がソースセルの性能に及ぼす影響を理解することで、これらの細胞の効率と安定性、および活性層の面組成と電気的特性との相関関係を理解することにより、有機太陽電池開発の分野における重要な質問に答えるのに役立ちます。また、この方法は、有機電子材料や電池などの他のシステムにも適用できます。

この手法が他の導電率マッピング法と比較した場合の主な利点は、チップサンプルの接触面積の不確かさが実質的に排除されることです。これは、界面特性の画像がはるかに明確になることを意味します。シグナル集録用のサンプルを準備します。

まず、上部電極のないP 3 H-T-P-C-B-Mポリマー太陽電池サンプルから始めます。これを原子間力顕微鏡用の外部電気コネクタを備えたサンプルホルダーに取り付けます。次に、サンプルホルダーをナノスコープファイブコントローラーを搭載した市販のマルチモード原子間力顕微鏡に接続します。

A FMプローブホルダーに導電性プローブを取り付け、ホルダーを顕微鏡に取り付けます。次に、プローブアセンブリを外部電流アンプに接続します。電流アンプの出力は、デジタルアクイジションカードにルート化されています。

A FMプローブ、サンプル、およびAFM電圧源との間に電気的接続を行うためのプローブだけです。A FMのたわみ出力、力信号、サンプル高さ出力、および距離信号は必ずデジタル集録カードに接続してください。デジタル取得カードの収集レートを 250 、 000 サンプル/秒に設定し、取得時間を 1 秒に設定します。

次に、A FMプローブと太陽電池電極サンプルの間に目的のバイアスを適用します。この実験では、正の6ボルトと負の10ボルトの両方で研究されました。次に、FMをピークフォースモードで実行するように設定し、ピークフォース設定点が30ナノニュートン、サポート振動振幅が300ナノメートル、サポート振動周波数が2キロヘルツ、スキャンレートが1ヘルツ、解像度が5 12 x 5 12ピクセルのトポグラフィーデータを収集します。

A FMプローブからの電流信号のノイズレベルは、良好な信号収集を妨げる可能性があります。これが問題になる場合は、A FMプローブ電流アンプと電圧源を接続するためのさまざまな配線方式を試してください トポグラフィーデータの取得と同時に力距離と電流距離の曲線を収集します。ここでは、ラボビューを使用してこれを行います。

実験のMatlab制御。データ解析は、タイムスタンプ付きの電流、力、距離の信号を MATLAB に読み込むことから始まります。使用する設定では、2000 フォース距離カーブと距離電流カーブを作成します。

最初のスキャンラインの場合、カーブの数はサポート発振周波数とスキャンレートの関数です。ここに示されているのは、強制距離データが青色で示されている代表的な曲線で、接触剛性は、図で定義された角度アルファ、プルオフ力の値によって与えられます。反力中の力の最初の最小値も各曲線から示され、接触剛性と引き抜き力を決定します。

図の赤い曲線は力電流データ用であり、プローブが表面から分離するまでの支持体がその振動の収縮部分を開始するときの電流の平均値は、その値が示されている電流と呼ばれています。このデータについて、完了する各曲線のこの電流を決定します。接触剛性、引き抜き力、および電流マップの最初のスキャンラインは、トポグラフィー信号に一致するように、これらの各量に対して2000の等間隔のデータポイントを512ポイント補間します。

512 スキャン ラインごとにこれらの手順を繰り返します。結果の画像の左上に示されているのは、地形測定の結果です。右上には、空間的に分解された引き抜き力の測定値があります。

左下は接触剛性を示しています。右下は、サンプルが負の10ボルトで上部電極のないP 3 HT PCBMポリマー太陽電池であった電流を示しており、画像サイズは10マイクロメートル×10マイクロメートルです。プルオフ力の接触剛性と現在の画像との間の相関関係は、A FMプローブと表面との間の接触面積の変化を考慮に入れることで排除できます。

実験中に、データと表示された方程式を使用して、E、ヤング率を求め、抵抗率を行に並べます。変数は、ここに示すテキスト プロトコルで、前に示したサンプルの計算されたヤング率として定義されます。バイアス電圧はマイナス10ボルトです。

異なるヤングのModuLiteを持つ2種類のドメインが明らかです。ポリマーが豊富なものは青色のドメインに現れ、膨らみが豊富なものは濃い赤です。抵抗率マップは、太陽電池の層間の電気的接続に関する情報を提供します。

これは、同じサンプルの異なる領域からの空間的に分解されたヤング率と抵抗率です。今回はバイアス電圧が6ボルトで、白い矢印は十分に濃縮されたドメインの領域を指しています。抵抗率はバイアス電圧の極性の関数として切り替わることに注意してください。

この手順に従って、領域は負のバイアスがある場合は抵抗率が低くなり、正のバイアスがある場合は抵抗率が高くなります。電力変換のような他の方法、完全な太陽電池の効率測定は、有機太陽電池の活性層の形態の相関とデバイスの性能との相関関係のような追加の質問に答えるために実行することができます。