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

Ogólnym celem poniższego eksperymentu jest zrozumienie mechanizmów przewodnictwa w oddzielnych fazowo mieszankach polimerów fulerenów poprzez korelację morfologii z wydajnością elektryczną. Morfologia i właściwości elektryczne mieszanek polimerowych to dwa podstawowe czynniki, które kontrolują ich wydajność w organicznych ogniwach słonecznych. Korelacja morfologii z wydajnością elektryczną próbek jest osiągana poprzez równoczesne pomiary właściwości mechanicznych i elektrycznych próbki przy użyciu mikroskopu sił atomowych z domowym sterownikiem i systemem akwizycji danych.

Służy to do zbierania przestrzennie rozdzielczych danych o zależności odległości siły między sondą A FM a powierzchnią próbki, a także zależności odległości prądu między sondą A FM a próbką w drugim kroku, wykonaj automatyczną analizę odległości siły i aktualnych krzywych odległości zebranych w każdym punkcie skanowania. W ten sposób powstają mapy o wysokiej rozdzielczości kontaktu, sztywności, siły ściągania i prądu. Następnie zastosuj przybliżony model mechaniki kontaktu, aby wykonać matematyczną konwersję danych kontaktowych, sztywności i prądu w celu uzyskania modułu Younga i rezystancji próbki.

Wyniki identyfikują charakter chemiczny domen w próbce na podstawie sygnatury mechanicznej, a także ilościowe różnice w przewodności faz bogatych w polimery i następujących po nich bogatych faz mieszanki w oparciu o równoczesne pomiary właściwości mechanicznych i elektrycznych. Metoda ta może pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytania w dziedzinie rozwoju organicznych ogniw słonecznych, takie jak wydajność i stabilność tych ogniw poprzez zrozumienie wpływu morfologii warstwy aktywnej na wydajność ogniwa źródłowego oraz korelacji składu czołowego warstwy aktywnej z właściwościami elektrycznymi. Metodę tę można również zastosować do innych systemów, takich jak organiczne materiały elektroniczne i baterie.

Główną zaletą tej techniki w porównaniu z innymi metodami mapowania przewodności jest to, że niepewność w obszarze kontaktu próbki z końcówką jest praktycznie wyeliminowana. Oznacza to, że masz znacznie jaśniejszy obraz właściwości międzyfazowych. Przygotuj próbkę do akwizycji sygnału.

Zacznij od próbki polimerowego ogniwa słonecznego P 3 H-T-P-C-B-M bez górnej elektrody. Zamontuj go w uchwycie na próbkę z zewnętrznymi złączami elektrycznymi do mikroskopu sił atomowych. Następnie podłącz uchwyt próbki do komercyjnego wielomodowego mikroskopu sił atomowych, wyposażonego w kontroler nano scope five.

Zainstaluj sondę przewodzącą w uchwycie sondy FM A i zamontuj uchwyt w mikroskopie. Teraz podłącz zespół sondy do zewnętrznego wzmacniacza prądowego. Wyjście wzmacniacza prądowego jest zakorzenione w cyfrowej karcie akwizycji.

Tylko sonda, aby wykonać połączenie elektryczne między sondą A FM, próbką i źródłem napięcia A FM. Upewnij się, że wyjście odchylenia A FM, sygnał siły, wyjście wysokości próbki i sygnał odległości są podłączone do cyfrowej karty akwizycji. Ustaw szybkość akwizycji na cyfrowych kartach akwizycji na 250 000 próbek na sekundę, a czas akwizycji na jedną sekundę.

Następnie zastosuj pożądane odchylenie między sondą A FM a próbkami elektrod ogniw słonecznych. W tym eksperymencie badano zarówno dodatnie sześć woltów, jak i ujemne 10 woltów. Teraz ustaw FM tak, aby działał w trybie siły szczytowej, zbierając dane topograficzne z nastawą siły szczytowej 30 nanoniutonów, amplitudą oscylacji podpory 300 nanometrów, częstotliwością oscylacji podporowej dwóch kiloherców, częstotliwością skanowania jedną herc i rozdzielczością pięciu 12 na pięć 12 pikseli.

Poziom szumów na sygnale prądowym z sondy FM A może zakłócać dobrą akwizycję sygnału. Jeśli jest to problem, wypróbuj różne schematy okablowania do podłączenia wzmacniacza prądowego sondy FM A i źródła napięcia Zbieraj krzywe odległości siły i odległości prądu jednocześnie z akwizycją danych topograficznych. W tym przypadku odbywa się to za pomocą widoku laboratorium.

Kontrola eksperymentu w Matlabie. Analiza danych rozpoczyna się od odczytania do MATLABa aktualnych sygnałów siły i odległości ze znacznikiem czasu. Dla użytych ustawień utwórz krzywe odległości siły 2000 i prądu odległości.

W przypadku pierwszej linii skanowania liczba krzywych jest funkcją częstotliwości oscylacji podpory i szybkości skanowania. Pokazana tutaj jest krzywa reprezentatywna z danymi wymuszonej odległości pokazanymi na niebiesko, sztywność styku jest określona przez kąt alfa zdefiniowany na wykresie wartość siły zrywającej. Pierwsze minimum siły podczas reakcji jest również pokazane z każdej krzywej, określa sztywność styku i siłę zrywającą.

Czerwona krzywa na wykresie dotyczy danych o prądzie siły, średniej wartości prądu, gdy podpora rozpoczyna część retrakcyjną swojej oscylacji, dopóki sonda nie oddzieli się od powierzchni, jest określana jako prąd, którego wartość jest pokazana. Dla tych danych określ ten prąd dla każdej krzywej do ukończenia. Pierwsza linia skanowania dla mapy sztywności styku, siły ściągającej i prądu interpoluje 2000 równomiernie rozmieszczonych punktów danych dla każdej z tych wielkości o 512 punktów, aby dopasować sygnał topograficzny.

Powtórz te kroki dla każdej z 512 linii skanowania. Przykłady powstałych obrazów są pokazane w lewym górnym rogu to wyniki pomiarów topograficznych. W prawym górnym rogu znajdują się przestrzennie rozdzielone pomiary siły zrywania.

Lewy dolny róg pokazuje sztywność styku. Prawy dolny róg pokazuje prąd, próbka była polimerowym ogniwem słonecznym P three HT PCBM bez górnej elektrody o napięciu ujemnym 10 woltów, rozmiar obrazu wynosi 10 mikrometrów na 10 mikrometrów. Korelacje między sztywnością styku siły zrywającej a aktualnymi obrazami można wyeliminować, biorąc pod uwagę zmianę obszaru styku między sondą A FM a powierzchnią.

Podczas eksperymentu wykorzystaj dane i wyświetlane równania, aby znaleźć E, moduł Younga i obrócić rezystywność. Zmienne są zdefiniowane w przedstawionym tutaj protokole tekstowym jako obliczony moduł Younga próbki pokazanej wcześniej. Napięcie polaryzacji wynosi minus 10 woltów.

Widoczne są dwa rodzaje domen z różnymi młodymi ModuLite. Te bogate w polimer występują w domenach niebieskich, bogate w folusz są ciemnoczerwone. Mapy rezystywności dostarczają informacji na temat połączeń elektrycznych między warstwami ogniwa słonecznego.

Oto przestrzennie rozdzielony moduł Younga i rezystywność z innego obszaru tej samej próbki. Tym razem przy napięciu polaryzacji wynoszącym sześć woltów, białe strzałki wskazują obszary w pełni wzbogaconych domen. Należy zauważyć, że rezystywność przełącza się w funkcji polaryzacji napięcia polaryzacji.

Regiony mają niską rezystywność, gdy występuje odchylenie ujemne i wysoką rezystywność, gdy występuje odchylenie dodatnie. Inne metody, takie jak konwersja mocy, pomiar wydajności całego ogniwa słonecznego, mogą być wykonane w celu uzyskania odpowiedzi na dodatkowe pytania, takie jak korelacja korelacji morfologii warstwy aktywnej w organicznych ogniwach słonecznych z wydajnością urządzenia.