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

O objetivo geral do presente experimento a seguir é entender os mecanismos de condutividade em blendas de polímeros de fulereno separadas por fase por meio da correlação da morfologia com o desempenho elétrico. A morfologia e as propriedades elétricas das misturas de polímeros são dois fatores primários que controlam seu desempenho dentro das células solares orgânicas. A correlação da morfologia com o desempenho elétrico das amostras é obtida por medições simultâneas das propriedades mecânicas e elétricas da amostra usando um microscópio de força atômica com um controlador caseiro e sistema de aquisição de dados.

Isso é usado para coletar dados espacialmente resolvidos sobre a dependência da distância de força entre a sonda A FM e a superfície da amostra, bem como a dependência da distância da corrente entre a sonda A FM e a amostra como uma segunda etapa, realizar a análise automática da distância de força e das curvas de distância de corrente coletadas em cada ponto da varredura. Isso produz mapas de alta resolução de contato, rigidez, força de tração e corrente. Em seguida, aplique um modelo de mecânica de contato aproximado para executar uma conversão matemática de dados de contato, rigidez e corrente, a fim de obter o módulo de Young e a resistência da amostra.

Os resultados identificam a natureza química dos domínios dentro da amostra com base na assinatura mecânica, bem como as diferenças quantitativas na condutividade das fases ricas em polímeros e nas fases ricas seguintes da mistura com base em medições simultâneas de propriedades mecânicas e elétricas. Este método pode ajudar a responder a questões-chave no campo do desenvolvimento de células solares orgânicas, como eficiência e estabilidade dessas células, por meio da compreensão dos efeitos da morfologia da camada ativa no desempenho da célula fonte e da correlação da composição facial da camada ativa com as propriedades elétricas. Além disso, esse método pode ser aplicado a outros sistemas, como materiais eletrônicos orgânicos e baterias.

A principal vantagem desta técnica sobre outros métodos de mapeamento de condutividade é que a incerteza na área de contato da amostra da ponta é praticamente eliminada. Isso significa que você tem uma imagem muito mais clara das propriedades interfaciais. Prepare a amostra para aquisição de sinal.

Comece com uma amostra de célula solar de polímero P três HTPC sem um eletrodo superior. Monte-o em um porta-amostras com conectores elétricos externos para o microscópio de força atômica. Em seguida, conecte o suporte de amostra a um microscópio de força atômica multimodo comercial, equipado com um controlador nano scope five.

Instale uma sonda condutora no suporte da sonda A FM e monte o suporte no microscópio. Agora conecte o conjunto da sonda a um amplificador de corrente externo. A saída do amplificador de corrente é enraizada em uma placa de aquisição digital.

Basta a sonda para fazer uma conexão elétrica entre a sonda A FM, a amostra e a fonte de tensão A FM. Certifique-se de conectar a saída de deflexão A FM, o sinal de força, a saída de altura de amostra e o sinal de distância a uma placa de aquisição digital. Defina a taxa de aquisição nos cartões de aquisição digital para 250.000 amostras por segundo e o tempo de aquisição para um segundo.

Em seguida, aplique a polarização desejada entre a sonda A FM e as amostras de eletrodo da célula solar. Foram estudados em seis volts positivos e 10 volts negativos neste experimento. Agora defina o FM para funcionar no modo de força de pico, coletando dados de topografia com um ponto de ajuste de força de pico de 30 nano Newtons, uma amplitude de oscilação de suporte de 300 nanômetros, uma frequência de oscilação de suporte de dois kilohertz, uma taxa de varredura de um hertz e uma resolução de cinco 12 por cinco 12 pixels.

O nível de ruído no sinal de corrente da sonda A FM pode interferir na boa aquisição do sinal. Se isso for um problema, tente diferentes esquemas de fiação para conectar a corrente da sonda A FM amplifier e a fonte de tensão Colete as curvas de distância de força e distância de corrente simultaneamente com a aquisição de dados de topografia. Aqui, isso é feito usando a visualização de laboratório.

Controle Matlab do experimento. A análise de dados começa com a leitura dos sinais de força e distância atuais com carimbo de data/hora no MATLAB. Para as configurações usadas, crie 2000 curvas de distância de força e corrente de distância.

Para a primeira linha de varredura, o número de curvas é uma função da frequência de oscilação de suporte e da taxa de varredura. Aqui é mostrada uma curva representativa com os dados de distância forçada mostrados em azul, a rigidez de contato é dada pelo ângulo alfa definido no diagrama o valor da força de tração. O primeiro mínimo da força durante a reação também é mostrado em cada curva, determina a rigidez de contato e a força de tração.

A curva vermelha no diagrama é para os dados da corrente de força, o valor médio da corrente à medida que o suporte inicia a parte de retração de sua oscilação até que a sonda se separe da superfície é referido como a corrente cujo valor é mostrado. Para esses dados, determine essa corrente para cada curva a ser concluída. A primeira linha de varredura para rigidez de contato, força de tração e mapas atuais interpolam 2000 pontos de dados igualmente espaçados para cada uma dessas quantidades em 512 pontos para corresponder ao sinal de topografia.

Repita essas etapas para cada uma das 512 linhas de varredura. Exemplos das imagens resultantes são mostrados no canto superior esquerdo são os resultados da medição topográfica. No canto superior direito, medições de força de tração espacialmente resolvidas.

O canto inferior esquerdo mostra a rigidez do contato. O canto inferior direito mostra a corrente que a amostra era uma célula solar de polímero P três HT PCBM sem eletrodo superior a 10 volts negativos, o tamanho da imagem é de 10 micrômetros por 10 micrômetros. As correlações entre a força de tração, a rigidez de contato e as imagens atuais podem ser eliminadas levando em consideração a mudança na área de contato entre a sonda A FM e a superfície.

Durante o experimento, use os dados e as equações exibidas para encontrar E, o módulo de Young e remar a resistividade. As variáveis são definidas no protocolo de texto mostrado aqui como o módulo de Young calculado da amostra mostrada anteriormente. A tensão de polarização é de menos 10 volts.

Dois tipos de domínios com diferentes ModuLite jovens são evidentes. Aqueles ricos em polímero aparecem em domínios azuis, ricos em enchimento são vermelhos escuros. Os mapas de resistividade fornecem informações sobre a conectividade elétrica entre as camadas da célula solar.

Aqui estão os módulos de Young e resistividade espacialmente resolvidos de uma região diferente da mesma amostra. Desta vez, com uma tensão de polarização de seis volts, as setas brancas apontam para regiões de domínios totalmente enriquecidos. Observe que a resistividade muda em função da polaridade da tensão de polarização.

As regiões têm uma baixa resistividade quando há uma polarização negativa e uma alta resistividade quando há uma polarização positiva Seguindo este procedimento. Outros métodos, como conversão de energia, medição da eficiência da célula solar completa, podem ser realizados para responder a perguntas adicionais, como correlacionar a correlação da morfologia da camada ativa em células solares orgânicas com o desempenho do dispositivo.