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Engineering

并行定量的导电性和力学性能测试的有机光伏材料利用原子力显微镜

Published: January 23, 2013 doi: 10.3791/50293
Automatic Translation
1, 1,2
1Center for Nanoscale Materials, Argonne National Laboratory, 2Institute for Molecular Engineering, University of Chicago

Summary

有机光伏（OPV）材料在纳米尺度本质上是不均匀的。纳米非均匀性，OPV材料的影响，光伏设备的性能。在本文中，我们描述了一个协议，用于低于100纳米的分辨率OPV材料的电气和机械性能的定量测量。

Abstract

有机光伏（OPV）材料在纳米尺度本质上是不均匀的。纳米非均匀性，OPV材料的影响，光伏设备的性能。因此，了解空间组成的变化以及OPV材料的电性能向前推动光伏技术是极为重要的。1,2在本文中，我们描述了协议的OPV材料的电气和机械性能的定量测量子-100纳米的分辨率。目前，材料的性能进行测量，用市售基于AFM的的技术（PeakForce，导电AFM），一般只提供定性信息。与文献数据的值性以及杨氏模量测定，用我们的方法对典型的ITO / PEDOT：PSS/P3HT：PC 61 BM系统有很好的对应。 P3HT：PC 61 BM的混合分离到PC 61 BM丰富和P3HT丰富的domai纳秒。的PC 61 BM丰富和P3HT丰富域的机 ​​械性能是不同的，它允许为域归属的膜的表面上。更重要的是，机械和电气的数据相结合，允许相关的域结构的表面上的膜的膜的厚度通过测量与电性能变化。

Introduction

作为带来了一个焦点上OPV技术的最新突破，功率转换效率（PCE）的有机光伏（OPV）细胞（推在细胞水平的10％）3，在演唱会遵守与高通量和低成本的制造工艺4廉价的大面积的太阳能电池的制造的挑战可能的解决方案。 OPV材料在纳米尺度本质上是不均匀的。 OPV材料的纳米尺度的不均匀性和光电器件的性能有着密切的联系。因此，了解成分不均匀性，以及OPV材料的电性能OPV技术向前发展是极为重要的。自1986年以来已经发展成为原子力显微镜（AFM）表面形貌的高精度测量的工具。如今，技术材料的性能（杨氏模量，功能6-10工作，11行为ivity 13日至15日，12机电，等）的测量，正吸引着越来越多的关注。在OPV材料的情况下，本地的物相组成和电性能的相关性，揭示更好地了解有机太阳能电池的内部运作带来了希望。1，16-17基于原子力显微镜的高分辨率相技术能够归属8作为电性能，在聚合材料中的映射。因此，在原则上，聚合物相组合物（通过机械测量）18和电气性能的相关性的是可以使用基于AFM的技术。许多基于AFM的技术，材料的机械和电气性能的测量使用AFM探针和表面之间的接触面积不变的假设。这种假设经常失败，从而导致表面形貌之间的强相关性与机械/电气性能。最近，一种新的原子力显微镜为基础的技术高通量测量的机械的属性（PeakForce）19。 PeakForce的金枪鱼（变化的PeakForce方法）提供了一个平台，同时测量的样品的机械和电气性能。然而，PeakForce金枪鱼方法生产的机械和电气性能的地图，这通常是密切相关的，因为在测量过程中的接触下落不明变异。在本文中，我们提出了一个实验性协议，用于删除相关性，与不同的接触半径利用原子力显微镜的机械和电气性能，同时保持精确的测量。实现材料的电阻和杨氏模量的定量测量结果的协议。

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Protocol

1。信号采集

  1. 安装样品（无阴极聚合物太阳能电池（ITO / PEDOT：PC 61 BM PSS/P3HT））的商业模AFM（Veeco公司，圣巴巴拉，CA）配备了奈米级-V控制器。
  2. 安装导电原子力显微镜探针原子力显微镜探针持有人模。
  3. 创建AFM探针，样品和电压源之间的电连接。
  4. 路线的电流放大器的输出（电流信号），多模AFM偏转输出（力信号），多模的AFM样品高度的输出（距离信号）转换成数字采集卡（NI-PCI-6115数据采集）。收益飞秒DLPCA-200电流放大器是从1 nA / V在50 kHz带宽。
  5. 适用于6V的偏置AFM探针和ITO电极之间。
  6. 运行多模AFM在PeakForceTM模式收集地形信号：峰值力设定点30 nN的，支撑振荡幅度为300nm，支撑振荡频率为2 kHz，1赫兹的扫描速率下，和一个resoluti对512 x 512像素。
  7. D节中列出的LabVIEW / MATLAB的控制，同时采集的地形地貌信号（步骤e）的收集信号。

2。数据分析第1步：生成的拉脱力，接触刚度，与当前的地图

  1. 阅读时间戳记目前，力和距离的信号到MATLAB中。
  2. 创建2000力 - 距离，力 - 电流曲线的第一扫描线。的曲线数量是支持振荡频率和扫描速度的函数。
  3. 从每一个力-距离曲线，确定接触刚度和拉断力戒断期间的原子力显微镜探针（ 图1）。
  4. 来自每个力-电流曲线，确定的平均电流而AFM探针在撤回（ 图1）是在与表面接触。
  5. 插值2000等距接触刚度，拉断力，和匹配的分辨率由512点到当前点重刑地形信号。接触刚度，拉脱力，及当前地图的第一扫描线完成。
  6. 创建接触刚度，拉断力，和当前的地图通过电子邮件512次重复步骤b。结果示于图2。

3。数据分析第2步：消除区域联系的文物

  1. 使用等式（1）和（2），得到的杨氏模量（E 材料 ）和电阻率（ρ）的材料在每个点的扫描：20
    式（1）
     使用 F ADH = F PULL - 8 nN的（由于水弯月面之间的原子力显微镜（AFM）和表面的粘附），20接触刚度（十一）和电流（I）的映射;探测电压（V），膜厚度（L），并粘着能量（W =γ 探头 +γ 时珍大号- γ的探头 - 材料 ，γ 探头 -探头材料的表面能，γ 材料 -的样品材料，表面能和γ 探针材料 -材料的样品和探针材料的界面能） 20

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Representative Results

上述的杨氏模量和电阻率的映射（ 图3）本典型的测量结果。机械和电气性能的ITO / PEDOT：PSS/P3HT：PC 61 BM堆栈测定在负（-10 V）和正极（6 V）的电压施加到AFM探针。与静电相互作用的原子力显微镜探针与样品的成像伪影，利用原子力显微镜定量测量的功能特性，是一种常见的问题。在不同电压下的相似性测量的杨氏模量大小演示静电工件相对于如上所述的测量协议的鲁棒性。内的材料中的化学成分的变化通常与本地的杨氏模量的变化相关联的。在这项研究中使用的样品是没有最佳的电极的太阳能电池装置。在堆栈的顶部层（P3HT：PC 61 BM）是太阳能电池的活性层，其中convers的发生离子的光能转化为电能。太阳能电池的性能在很大程度上取决于在有源层上的形态和化学成分。

联系刚度和电流往往是相关的（ 图4），因为在AFM探针与表面之间的接触面积的变化用原子力显微镜测量。这种相关性往往复杂机械（杨氏模量）和电气性能的材料（电阻率）的定量测​​定。以上提供的协议，由AFM探针和表面，这反过来又允许定量测量的杨氏模量和电阻率之间的粘附力的直接测量，在接触面积的变化的帐户。 PC 61 BM-丰富的领域更严厉的比聚合物丰富的。如果考虑到接触面积的变化，导致域失实陈述。例如，激烈的PC 61 BM-富域是可见的接触刚度和年轻的模量的剖面线（ 图4），而其他的PC 61 BM丰富的域（ 图4B）只出现在杨氏模量地图。

上面描述的方法允许的P3HT：PC 61 BM层的表面上的化学组合物的归属。两种类型的域与不同的杨氏模量在图3（A）和3（B）是显而易见的。知识的活性层的化学成分和文献资料P3HT 21-26和PC 61 BM 21的力学性能允许约0.01 GPA作为P3HT丰富的归属域与杨氏模量（显示为蓝色图3（A）和（ B））和域与杨氏模量的约0.1 GPA作为PC 61 BM-富国（出现暗红色的图3（A）和（B））27耐地图（ 图3（C）及（D）</强>）提供P3HT的顶表面上的：PC 61 BM层和ITO层之间的电连接性的信息。在一个运行的太阳能电池中，从大部分朝向集电（ITO和所述电极上沉积顶部P3HT：PC 61 BM层，分别）的有源层的电流行进，因此，电阻地图是至关重要的信息片段，允许化学组合物和太阳能电池的性能的相关性， 图3（C）和3（D）表明P3HT丰富和PC 61 BM丰富域取决于施加到AFM探针上的电压的极性而变化的电阻。 P3HT丰富的领域，也正电压和低电阻，高电阻为负电压比较PC 61 BM-丰富的领域。可能注入孔，从高功函数的Pt探针，相对高的空穴导电性P3HT的28和孔的导电性的PEDOT：PSS解释较低的电阻P3HT丰富的地区，以及更高的电子注入势垒和电子的抑制性能的PEDOT：PSS被引用27作为比较，与P3HT的丰富的正偏压下的PC 61 BM丰富域更高的电阻的原因为何原子力显微镜探针。负偏压，电阻P3HT富域应该增加，电阻的PC 61 BM域应该减少，因为空穴的注入效率的降低的PEDOT：PSS 29（减少的电子排斥所导致）和注入的电子从负偏置铂探头。化学归属域的基础上的机械性能的测量是有效的，而仅在接近空气-P3HT：PC 61 BM接口电阻测量提供关于电流通路的信息，通过膜的厚度。在这方面，机械和电气测量样品提供免费的信息。电阻无线网络中的变化整个活性层薄膜的厚度薄P3HT丰富，PC 61 BM丰富的面域，显示域结构的不均匀性。

总之，我们描述了一个协议，用于通过减轻接触面积的不确定性的软质材料的杨氏模量和电阻率的定量测量。的PC 61 BM丰富和P3HT丰富域的机 ​​械性能是不同的，这允许归属域的表面上的膜。机械和电气的数据允许组合的结构域结构的相关性的膜的表面上的膜的厚度通过测量与电性能变化。

图1
图1。典型的力-距离（蓝色）和电流（红色-距离）曲线ITO / PEDOT：PSS/P3HT：PC 61 BM铂探头。

图2
图2。空间分辨测量地形（A），拉断力（B），（C）接触刚度，并在ITO / PEDOT：PSS/P3HT：PCBM的样品电导率在-10 V（D）。图像大小是10微米×10微米。

图3
图3。，空间分辨两个不同的位置上测得的表面，在-10 V（A，C）和V（B，D）的杨氏模量（A，B），电阻（C，D）的变化。图像（A）和（C）中给出的数据，计算从61 BM丰富的域，这表明电阻开关作为一个功能的电压极性（低电阻率在负偏压和高的电阻率在正偏压）。黑色虚线（A，C）表示用于剖面线图4。

图4
图4。线公司从领域表示对图2和图3A，3C与黑色虚线。很强的相关性之间的接触刚度和电流，由于接触半径的变化是显而易见的。消除接触半径的变化揭示了激烈的PC 61 BM-丰富的领域，这是很差可见，否则（B）。 点击这里查看大图 。

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Disclosures

没有利益冲突的声明。

Acknowledgments

MPN是感谢主任的奖学金计划提供财政支持。 ，MPN要感谢曾育志与发展的协议，用于太阳能电池加工的帮助。这项工作是在纳米材料研究中心，美国能源部科学办公室，办公室基础能源科学用户设施的合同号DE-AC02-06CH11357。

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Plextronics inks Plexcore PV 1000
ITO-coated glass substrates Delta Technologies, Inc 25 Ohms/sq
30 MHz synthesized function generator Stanfor Research Systems DS345
Current amplifier Femto DLPCA-200
Multimode AFM Veeco, Santa Barbara, CA equipped with Nanoscope-V controller
DAQ card National Instruments NI-PCI-6115
Metal Pt probes RMNano 12Pt3008
MATLAB software Mathworks
LabView software National Instruments

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第71期，材料科学，纳米技术，机械工程，电气工程，计算机科学，物理，固体中的电输运性质，凝聚态物理，薄膜（理论，沉积和生长），导电性（固态），原子力显微镜，原子力显微镜，电气性能，机械性能，有机太阳能电池，微型工程，光电
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