Method Article

Równoczesne ilościowe pomiary przewodności i właściwości mechanicznych organicznych materiałów fotowoltaicznych za pomocą AFM

DOI:

10.3791/50293

⸱

January 23rd, 2013

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

In This Article

Summary

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

Organiczne materiały fotowoltaiczne (OPV) są z natury niejednorodne w skali nanometrów. Niejednorodność materiałów OPV w nanoskali wpływa na wydajność urządzeń fotowoltaicznych. W artykule opisano protokół pomiarów ilościowych właściwości elektrycznych i mechanicznych materiałów OPV o rozdzielczości poniżej 100 nm.

Abstract

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

Organiczne materiały fotowoltaiczne (OPV) są z natury niejednorodne w skali nanometrów. Niejednorodność materiałów OPV w nanoskali wpływa na wydajność urządzeń fotowoltaicznych. W związku z tym zrozumienie przestrzennych różnic w składzie, a także właściwości elektrycznych materiałów OPV ma ogromne znaczenie dla rozwoju technologii fotowoltaicznej. 1,2 W artykule opisano protokół pomiarów ilościowych właściwości elektrycznych i mechanicznych materiałów OPV o rozdzielczości poniżej 100 nm. Obecnie pomiary właściwości materiałów wykonywane przy użyciu dostępnych na rynku technik opartych na AFM (PeakForce, przewodzący AFM) dostarczają na ogół jedynie informacji jakościowych. Wartości rezystancji oraz modułu Younga zmierzone naszą metodą na prototypowym układzie ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PC61BM dobrze korespondują z danymi literaturowymi. Mieszanina P3HT:PC61BM rozdziela się na domeny bogate w PC61BM i bogate w P3HT. Właściwości mechaniczne domen bogatych w PC61BM i P3HT są różne, co pozwala na atrybucję domen na powierzchni folii. Co ważne, połączenie danych mechanicznych i elektrycznych pozwala na korelację struktury domeny na powierzchni folii ze zmiennością właściwości elektrycznych mierzoną przez grubość folii.

Introduction

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

Ostatnie przełomy w sprawności konwersji energii (PCE) organicznych ogniw fotowoltaicznych (OPV) (zwiększenie o 10% na poziomie ogniw)3 w połączeniu z przestrzeganiem wysokoprzepustowych i tanich procesów produkcyjnych4 zwróciły uwagę na technologię OPV jako możliwe rozwiązanie dla wyzwania, jakim jest tania produkcja ogniw słonecznych o dużej powierzchni. Materiały OPV są z natury niejednorodne w skali nanometrowej. Niejednorodność materiałów OPV w nanoskali i wydajność urządzeń fotowoltaicznych są ze sobą ściśle powiązane. W związku z tym zrozumienie niejednorodności składu, a także właściwości elektrycznych materiałów OPV ma ogromne znaczenie dla rozwoju technologii OPV. Mikroskopia sił atomowych (AFM) jest rozwijana jako narzędzie do pomiarów topografii powierzchni w wysokiej rozdzielczości od 1986 roku. 5 Obecnie coraz większą uwagę cieszą się techniki pomiaru właściwości materiałów (moduł Younga, funkcja pracy 6-10, przewodność11, elektromechanika13-15 itd.). W przypadku materiałów OPV korelacja lokalnego składu fazowego i właściwości elektrycznych daje nadzieję na lepsze zrozumienie wewnętrznego funkcjonowania organicznych ogniw słonecznych. 1, 16-17 Techniki oparte na AFM umożliwiają atrybucję faz w wysokiej rozdzielczości8, a także mapowanie właściwości elektrycznych w materiałach polimerowych. W związku z tym, w zasadzie, korelacja składu fazowego polimeru (poprzez pomiary mechaniczne)18 i właściwości elektrycznych jest możliwa przy użyciu technik opartych na AFM. Wiele technik opartych na AFM do pomiarów właściwości mechanicznych i elektrycznych materiałów wykorzystuje założenie stałej powierzchni styku sondy AFM z powierzchnią. To założenie często zawodzi, co skutkuje silną korelacją między topografią powierzchni a właściwościami mechanicznymi/elektrycznymi. Niedawno wprowadzono nową technikę opartą na AFM do wysokoprzepustowych pomiarów właściwości mechanicznych (PeakForce)19. PeakForce TUNA (odmiana metody PeakForce) stanowi platformę do jednoczesnych pomiarów właściwości mechanicznych i elektrycznych próbki. Jednak metoda PeakForce TUNA tworzy mapy właściwości mechanicznych i elektrycznych, które zwykle są silnie skorelowane ze względu na nieuwzględnioną zmienność kontaktu podczas pomiarów. W artykule przedstawiono eksperymentalny protokół usuwania korelacji związanych ze zmiennym promieniem kontaktu przy zachowaniu dokładnych pomiarów właściwości mechanicznych i elektrycznych za pomocą AFM. Implementacja protokołu skutkuje ilościowymi pomiarami wytrzymałości materiałów i modułu Younga.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

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

1. Akwizycja sygnału

  1. Zainstaluj próbkę (polimerowe ogniwo słoneczne bez katody (ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PC61BM)) w komercyjnym wielomodowym AFM (Veeco, Santa Barbara, CA) wyposażonym w kontroler Nanoscope-V.
  2. Zainstaluj przewodzącą sondę AFM w uchwycie wielomodowej sondy AFM.
  3. Utwórz połączenie elektryczne między sondą AFM, próbką i źródłem napięcia.
  4. Skieruj wyjście wzmacniacza prądowego (sygnał prądowy), wielomodowe wyjście odchylenia AFM (sygnał siły), wielomodowe wyjście wysokości próbki AFM (sygnał odległości) do cyfrowej karty akwizycji (NI-PCI-6115 DAQ). Wzmocnienie wzmacniacza prądowego Femto DLPCA-200 wynosi 1 nA/V przy szerokości pasma 50 kHz.
  5. Zastosuj polaryzację 6 V między sondą AFM a elektrodą ITO.
  6. Uruchom wielomodowy AFM w trybie PeakForceTM zbierając sygnał topograficzny: nastawa siły szczytowej 30 nN, amplituda oscylacji podporowej 300 nm, częstotliwość oscylacji podporowej 2 kHz, częstotliwość skanowania 1 Hz i rozdzielczość 512 na 512 pikseli.
  7. Zbieraj sygnały wymienione w sekcji d przez sterowanie LabView/MATLAB równolegle z akwizycją sygnału topograficznego (krok e).

2. Analiza danych Krok 1: Generowanie mapy siły zrywającej, sztywności kontaktowej i prądu

  1. Odczyt sygnałów prądu, siły i odległości ze znacznikiem czasu do MATLAB.
  2. Utwórz 2 000 krzywych siła - odległość i siła - prąd dla pierwszej linii skanowania. Liczba krzywych jest funkcją częstotliwości oscylacji wsparcia i szybkości skanowania.
  3. Na podstawie każdej krzywej siła - odległość należy określić sztywność styku i siłę odrywania podczas wycofywania sondy AFM (rysunek 1).
  4. Na podstawie każdej krzywej siła - prąd wyznacz średni prąd, gdy sonda AFM styka się z powierzchnią podczas wycofywania (rysunek 1).
  5. Interpoluj 2,000 równomiernie rozmieszczonych punktów sztywności styku, siły zrywania i prądu przez 512 punktów, aby dopasować rozdzielczość sygnału topograficznego. Wykonywana jest pierwsza linia skanowania pod kątem sztywności styku, siły zrywania i map prądu.
  6. Utwórz mapy sztywności kontaktowej, siły zrywania i prądu, powtarzając kroki od b do e 512 razy. Wyniki przedstawiono na rysunku 2.

3. Analiza danych Krok 2: Eliminacja artefaktów w obszarze kontaktu

  1. Użyj równania (1) i (2), aby uzyskać moduł Younga (MATERIAŁ E) i rezystancję (ρ) materiału w każdym punkcie skanowania: 20
    figure-protocol-1
    przy użyciu map FADH = FPULL - 8 nN (przyczepność spowodowana meniskiem wodnym między AFM a powierzchnią), 20 map sztywności styku (k) i prądu (I); napięcie sondowania (V), grubość warstwy (L) i energia adhezji (w = γsonda + γ MATERIA L - γ MATERIAŁ SONDY, gdzie γSONDA - energia powierzchniowa materiału sondy,γ MATERIAŁ - energia powierzchniowa materiału próbki, a γSONDA-MATERIAŁ - energia międzyfazowa materiału próbki i materiału sondy). 20

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

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

Mapy modułu i rezystywności Younga (Rysunek 3) prezentują typowe wyniki pomiarów opisanych powyżej. Właściwości mechaniczne i elektryczne stosu ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PC61BM mierzono przy ujemnym (-10 V) i dodatnim (+6 V) napięciu przyłożonym do sondy AFM. Artefakty obrazowania, związane z oddziaływaniem elektrostatycznym między sondą AFM a próbką, są częstym problemem w przypadku ilościowych pomiarów właściwości funkcjonalnych za pomocą AFM. Podobieństwo wielkości modułów Younga mierzonych przy r...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

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

Nie stwierdzono konfliktu interesów.

Acknowledgements

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

MPN jest wdzięczny Programowi Stypendialnemu Dyrektora za wsparcie finansowe. MPN pragnie podziękować Yu-Chih Tsengowi za pomoc w opracowaniu protokołu przetwarzania ogniw słonecznych. Praca ta została wykonana w Center for Nanoscale Materials w USA. Departament Energii, Biuro Nauki, Biuro Podstawowych Nauk Energetycznych Obiekt Użytkowany na podstawie Umowy nr DE-AC02-06CH11357.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
TuszePlextronics PlexcorePV 1000
Podłoża szklane powlekane ITODelta Technologies, Inc25 Ohm/sq
30 MHz syntetyzowany generator funkcyjnyStanfor Research SystemsDS345
Wzmacniacz prądowyFemtoDLPCA-200
Multimode AFMVeeco, Santa Barbara, CAwyposażony w Kontroler Nanoscope-V
Karta DAQNational InstrumentsNI-PCI-6115
Metalowe sondy PtOprogramowanie RMNano12Pt3008
MATLABOprogramowanie Mathworks
LabViewInstruments
National

References

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

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Organic Photovoltaic MaterialsAFM Conductivity MeasurementsMechanical Properties AnalysisConcurrent Electrical MeasurementsAtomic Force MicroscopyPeakForce ModeConductive AFM ProbeYoung s Modulus MappingResistivity MappingPhase Separated Blends

Related Articles