Condutividade quantitativa concorrente e Medidas mecânicas de materiais fotovoltaicos orgânicos utilizando AFM

Summary

Fotovoltaicos orgânicos (OPV) materiais são inerentemente heterogênea em escala nanométrica. Heterogeneidade de materiais em nanoescala OPV afeta o desempenho de dispositivos fotovoltaicos. Neste trabalho, nós descrevemos um protocolo de medidas quantitativas de características elétricas e mecânicas de materiais OPV com sub-resolução de 100 nm.

Abstract

Fotovoltaicos orgânicos (OPV) materiais são inerentemente heterogênea em escala nanométrica. Heterogeneidade de materiais em nanoescala OPV afeta o desempenho de dispositivos fotovoltaicos. Assim, a compreensão das variações espaciais da composição, bem como propriedades elétricas de materiais OPV é de suma importância para a movimentação tecnologia fotovoltaica para a frente. ^1,2 Neste trabalho, nós descrevemos um protocolo de medidas quantitativas de características elétricas e mecânicas de materiais OPV com sub -100 resolução nm. Actualmente, as medições de propriedades dos materiais disponíveis comercialmente realizada utilizando técnicas baseadas em AFM (PeakForce, AFM condutivo) geralmente fornecem apenas informação qualitativa. Os valores de resistência, bem como o módulo de elasticidade medido utilizando o nosso método no protótipo ITO / PEDOT: PSS/P3HT: PC ₆₁ sistema BM correspondem bem com os dados da literatura. O P3HT: PC ₆₁ mistura BM separa no PC ₆₁ BM-ricos e P3HT rica domains. As propriedades mecânicas do PC ₆₁ domínios BM-ricos e P3HT-ricos são diferentes, o que permite a atribuição de domínio sobre a superfície da película. É importante notar que a combinação de dados mecânicos e eléctricos permite a correlação da estrutura do domínio da superfície do filme com variação propriedades eléctrica medida através da espessura da película.

Introduction

Recentes avanços na eficiência de conversão de energia (PCE) de fotovoltaico orgânico (OPV) células (empurrando a 10% no nível da célula) ³ em conjunto com a conformidade com processos de manufatura de alto rendimento e baixo custo ⁴ trouxe um holofote sobre tecnologia OPV como um solução possível para o desafio de fabricação barata de grande-área de células solares. Materiais OPV são inerentemente heterogênea em escala nanométrica. Heterogeneidade de materiais em nanoescala OPV e desempenho de dispositivos fotovoltaicos estão intimamente ligados. Assim, a falta de homogeneidade na composição compreensão, bem como propriedades elétricas de materiais OPV é de suma importância para a tecnologia de mudança OPV frente. Microscopia de força atômica (AFM) foi desenvolvido como uma ferramenta para medições de alta resolução de topografia da superfície desde 1986. ⁵ Hoje em dia, as técnicas para materiais de propriedades (módulo de Young, ^6-10 função de trabalho, ¹¹ condutamedições ivity, ¹² electromecânica, ^13-15, etc) estão atraindo cada vez mais atenção. No caso de materiais de OPV, a correlação da composição da fase local e propriedades eléctricas é promissor para revelar melhor compreensão do funcionamento interno de células solares orgânicas. ^{1, 16-17} AFM baseados em técnicas são capazes de alta resolução de fase atribuição ^8, bem como propriedades elétricas de mapeamento em materiais poliméricos. Assim, em princípio, a correlação da composição da fase polímero (através de medições mecânicas) ¹⁸ e propriedades eléctricas é possível, utilizando técnicas baseadas em AFM. Muitos AFM baseados em técnicas de medições das propriedades mecânicas e eléctricas dos materiais usar o pressuposto de área constante de contacto entre a sonda de AFM e a superfície. Esta suposição frequentemente falha, o que resulta em uma forte correlação entre a topografia da superfície e as propriedades mecânicas / eléctricas. Recentemente, uma técnica de AFM nova base parahigh-throughput medições das propriedades mecânicas (PeakForce) ¹⁹ foi introduzido. PeakForce ATUM (variação do método PeakForce) fornece uma plataforma para medições simultâneas de propriedades mecânicas e elétricas da amostra. No entanto, o método ATUM PeakForce produz mapas de propriedades mecânicas e elétricas, que geralmente são fortemente correlacionados devido à variabilidade desaparecidos de contato durante as medições. Neste artigo, apresentamos um protocolo experimental para a remoção de correlacoes variando raio de contato, mantendo medições precisas das propriedades mecânicas e elétricas utilizando AFM. Aplicação dos resultados do protocolo de medições quantitativas de resistência e materiais "Módulo de Young.

Protocol

1. Aquisição de sinal

1. Instale amostra (polímero de célula solar sem catódicos (ITO / PEDOT: PSS/P3HT: PC ₆₁ BM)) em um AFM comercial Multimodo (Veeco, Santa Barbara, CA) equipado com Nanoscope-V controlador.
2. Instale condutora AFM sonda em Multimode titular sonda de AFM.
3. Criar a ligação eléctrica entre a sonda de AFM, de amostra e uma fonte de tensão.
4. Rota de saída do amplificador de corrente (sinal de corrente), a saída de deflexão Multimode AFM (força de sinal), multimodo AFM saída altura da amostra (sinais de distância) em um cartão de aquisição digital (NI-PCI-6115 DAQ). O ganho em Femto DLPCA-200 é um amplificador de corrente nA / V a 50 kHz de largura de banda.
5. Aplique viés 6V entre AFM sonda e eletrodo de ITO.
6. Executar AFM Multimode em PeakForceTM modo de coleta de sinal de topografia: set point pico de força de 30 nN, uma amplitude de oscilação apoio de 300 nm, uma freqüência de oscilação apoio de 2 kHz, uma taxa de varredura de 1 Hz, e um resolutina de 512 por 512 pixels.
7. Coletar sinais listados na seção d por LabView / MATLAB controle simultâneo com a aquisição do sinal de topografia (e passo).

2. Dados Análise Passo 1: Produção de pull-off força, rigidez de contato, e mapas atuais

1. Leia os sinais do tempo com carimbo de força atual, e da distância em MATLAB.
2. Criar 2.000 vigor -, distância e força - curvas de corrente para a linha de primeiro exame. Número de curvas é uma função da freqüência de oscilação apoio e velocidade de varredura.
3. A partir de cada força - curva distância, determinar contacto rigidez e força de arrancamento, durante a retirada da sonda de AFM (Figura 1).
4. A partir de cada força - curva actual, determinar a corrente média, enquanto a sonda de AFM se encontra em contacto com a superfície durante a retirar (Figura 1).
5. Interpolar 2000 rigidez de contato igualmente espaçados, pull-off-força, e os pontos atuais por 512 pontos para combinar com resoluçõesção do sinal de topografia. A primeira linha de exploração para a rigidez de contato, pull-off-força, e mapas atuais é feito.
6. Criar contacto rigidez, pull-off-força, e mapas atuais, repetindo os passos de B a E 512 vezes. Os resultados são mostrados na Figura 2.

3. Dados Análise Passo 2: Eliminação da área de contato-Artefatos

1. Utilizar a equação (1) e (2) para se obter o Módulo de Young _(MATERIAL E) e resistência (ρ) do material em cada ponto de verificação: ²⁰
   
   F usando _ADH = F _PULL - 8 nN (adesão devido ao menisco de água entre a AFM e a superfície), ²⁰ de contacto da rigidez (k), e de corrente (I) mapas; tensão sondagem (V), a espessura da película (L), e adesãoenergia (w = γ _PROBE + γ L _MATERIA - γ _PROBE - _MATERIAL, onde _PROBE γ - energia de superfície do material da sonda, _MATERIAL γ - energia de superfície do material de amostra, e γ _{PROBE MATERIAL -} energia interfacial de material de amostra e material de sonda) ^20.

Results

Módulo de Young e resistividade mapas (Figura 3) apresentam resultados típicos das medições descritas acima. Propriedades mecânicas e elétricas do ITO / PEDOT: PSS/P3HT: PC ₆₁ pilha BM foram medidos no negativo (-10 V) e positiva (+6 V) tensões aplicada à sonda de AFM. Artefactos de imagem, associados com a interacção electrostática entre a sonda e a amostra de AFM, são um problema comum para medidas quantitativas de propriedades funcionais utilizando AFM. A semelhança de magnitude módulos de...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Nome do reagente / Material	Companhia	Número de catálogo	Comentários
Tintas Plextronics	Plexcore	PV 1000
ITO-substratos de vidro revestidos	Delta Technologies, Inc		25 Ohms / m²
30 MHz sintetizado gerador de função	Stanfor Research Systems	DS345
Amplificador de corrente	Femto	DLPCA-200
AFM multimodo	Veeco, Santa Barbara, CA		equipado com Nanoscope V-controlador
DAQ cartão	National Instruments	NI-PCI-6115
Sondas de metal Pt	RMNano	12Pt3008
Software MATLAB	Mathworks
LabView software	National Instruments