Summary
פוטו חומרים אורגניים (OPV) הם מטבע הומוגניות בקנה המידה ננומטרי. אי הומגניות ננומטרי של חומרי OPV משפיעים על ביצועים של התקני פוטו. במאמר זה, אנו מתארים פרוטוקול למדידות כמותיות של תכונות חשמליות ומכאניות של חומרי OPV עם רזולוצית ננומטר תת-100.
Abstract
פוטו חומרים אורגניים (OPV) הם מטבע הומוגניות בקנה המידה ננומטרי. אי הומגניות ננומטרי של חומרי OPV משפיעים על ביצועים של התקני פוטו. לכן, הבנה של וריאציות מרחביים בהרכב, כמו גם תכונות חשמליות של חומרי OPV הוא בעלת חשיבות עליונה להעברת טכנולוגיית PV קדימה. 1,2 במאמר זה, אנו מתארים פרוטוקול למדידות כמותיות של תכונות חשמליות ומכאניות של חומרי OPV עם תת רזולוצית -100 ננומטר. נכון לעכשיו, חומרי מדידות נכסים שבוצעו תוך שימוש בטכניקות זמינות מסחרי AFM מבוססים (PeakForce, AFM מוליך) לספק מידע איכותי באופן כללי בלבד. את הערכים של התנגדות, כמו גם מודול של יאנג נמדד באמצעות השיטה שלנו על איטו אבטיפוס / PEDOT: PSS/P3HT: 61 מערכות מחשב BM מתאימים היטב עם נתונים בספרות. P3HT: מחשב תערובת 61 BM מפריד על גבי מחשב 61 BM-עשירה וP3HT עשיר domains. תכונות מכאניות של המחשב 61 תחומי BM-עשירים וP3HT עשירים שונות, המאפשרות לייחוס תחום על פני השטח של הסרט. חשוב מכך, שילוב של נתונים מכאניים וחשמליים מאפשר למתאם של מבנה התחום על פני השטח של סרט עם וריאצית תכונות חשמליות נמדדה באמצעות העובי של הסרט.
Introduction
פריצות הדרך אחרונות בתחום יעילות המרת כוח (PCE) של פוטו האורגני (OPV) תאים (דוחף 10% ברמת התא) 3 בתיאום עם עמידה בתהליכי ייצור תפוקה גבוהה ועלות נמוכה 4 הביאו אור זרקורים אל הטכנולוגיה כOPV פתרון אפשרי לאתגר של ייצור זול של תאים סולריים שטח גדול. חומרי OPV הם מטבע הומוגניות בקנה המידה ננומטרי. אי הומגניות ננומטרי של חומרים וביצועים של התקני פוטו OPV מחוברים בצורה אינטימית. לפיכך, אי הומגניות הבנה בהרכב, כמו גם תכונות חשמליות של חומרי OPV הם בעלת חשיבות עליונה להעברת טכנולוגית OPV קדימה. מיקרוסקופ כוח אטומי (AFM) פותח ככלי למדידות ברזולוציה הגבוהה של טופוגרפית משטח מאז 1986. 5 כיום, טכניקות לתכונות חומרים (מודולוס של יאנג, פונקצית עבודה 6-10, 11 ההתנהגותלקוחים, 12 אלקטרומכניקה, 13-15 וכו ') מדידות מושכות תשומת לב גובר. במקרה של חומרי OPV, מתאם של רכב שלב מקומי ותכונות חשמליות טומן בחובו הבטחה לגילוי הבנה טובה יותר של הפעולה הפנימית של תאים סולאריים אורגניים. 1, 16-17 טכניקות AFM מבוססים מסוגלות לשלב ברזולוציה גבוהה, כמו גם ייחוס 8 כתכונות חשמליות מיפוי בחומרים פולימריים. לכן, באופן עקרוני, המתאם של הרכב פולימר שלב (באמצעות מדידות מכאניות) 18 ותכונות חשמליות אפשרי באמצעות טכניקות AFM מבוססים. טכניקות AFM מבוססים רבות על מדידות של תכונות מכאניות וחשמליות של חומרים להשתמש בהנחה של שטח מתמיד של קשר בין חללית AFM ופני השטח. הנחה זו לעתים קרובות נכשלת, שתוצאת המתאם חזק בין טופוגרפית משטח ותכונות מכאניות / חשמל. לאחרונה, AFM טכניקה חדשה, המבוסס עלמדידות תפוקה גבוהה של תכונות מכאניות (PeakForce) 19 הוצגו. טונת PeakForce (וריאציה של שיטת PeakForce) מספקת פלטפורמה למדידות מקבילות של תכונות מכאניות וחשמליות של המדגם. עם זאת, שיטת טונת PeakForce מייצרת מפות קניין מכאניות וחשמליות, אשר בדרך כלל מתואמות חזק בגלל שונות בלתי מוסברות של מגע במהלך מדידות. במאמר זה, אנו מציגים פרוטוקול ניסוי, להסרת מתאמים שונים הקשורים לרדיוס מגע תוך שמירה על מדידות מדויקות של התכונות המכאניות וחשמליות באמצעות AFM. יישום תוצאות הפרוטוקול במדידות כמותיות של התנגדות "חומרים ומודולוס של יאנג.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. אות רכישה
- התקן מדגם (תאים סולריים פולימר ללא קתודה (איטו / PEDOT: PSS/P3HT: המחשב 61 BM)) לתוך AFM Multimode מסחרי (Veeco, סנט ברברה, קליפורניה) המצויד בבקר Nanoscope-V.
- התקן AFM חללית מוליך לבעל Multimode AFM חללית.
- צור קשר חשמלי בין AFM הבדיקה, הדגימה ומקור מתח.
- פלט תוואי נוכחי מגבר (אות הנוכחית), פלט הסטייה AFM Multimode (אות כוח), פלט Multimode AFM מדגם גובה (אות מרחק) לרכישת כרטיס דיגיטלי (DAQ NI-PCI-6115). רווח FEMTO DLPCA-200 מגבר נוכחי הוא 1 Na / V ברוחב פס kHz 50.
- החל הטית 6V בין AFM חללית והאלקטרודה איטו.
- הפעל AFM Multimode במצב PeakForceTM איסוף אות טופוגרפיה: נקודה להגדיר כוח שיא של 30 NN, משרעת תנודת תמיכה של 300 ננומטר, תדר תנודת תמיכה של 2 קילוהרץ, קצב סריקה של רץ 1, וresolutiעל של 512 על ידי 512 פיקסלים.
- איסוף אותות המפורטים בסעיף ד 'על ידי שליטת LabVIEW / MATLAB במקביל לרכישת אות טופוגרפיה (ה שלב).
2. נתוני שלב ניתוח 1: דור של כוח המשיכה-off, נוקשות קשר, ומפות נוכחיות
- לקרוא את האותות הנוכחיים, כוח ומרחק זמן מבויל לMATLAB.
- צור 2000 כוח - מרחק, וכוח - עקומות נוכחיות לשורת הסריקה הראשונה. מספר העיקולים הוא פונקציה של תדירות תנודת תמיכה וקצב סריקה.
- מכל כוח - עקומת מרחק, לקבוע קשר נוקשות ולמשוך את הכח במהלך הנסיגה של AFM הבדיקה (איור 1).
- מכל כוח - עקום נוכחי, לקבוע את הזרם הממוצע בזמן בדיקת AFM נמצאת במגע עם פני השטח במהלך הנסיגה (איור 1).
- לשרבב 2000 נוקשות שווות רווח קשר, משיכה-off-כוח, ונקודות נוכחיות של 512 נקודות כדי להתאים רזולוציהtion של אות טופוגרפיה. קו הסריקה הראשונה לנוקשות קשר, משיכה-off-כוח, ומפות נוכחיות נעשה.
- צור קשר עם קשיחות, משיכה-off-כוח, ומפות נוכחיות על ידי חזרה על שלבי b באמצעות דואר 512 פעמים. תוצאות מוצגות באיור 2.
3. שלב ניתוח נתונים 2: ביעור החפצים לתקשר באזור
- השתמש במשוואה (1) ו (2) להשיג מודולוס של יאנג (E חומר) והתנגדות (ρ) של חומר בכל נקודה של הסריקה: 20
באמצעות F = F ADH PULL - 8 NN (הידבקות עקב מניסקוס מים בין AFM והמשטח), נוקשות קשר 20 (יא), ונוכחי (אני) מפות; מתח חיטוט (V), עובי סרט (L), ו הדבקהאנרגיה (w = γ בדיקה + γ L אטרייה - γ בדיקה - חומר, שבו γ בדיקה - אנרגית שטח של חומר חקירה, γ חומר - אנרגית פני שטח של חומר מדגם, וγ בדיקת חומר - אנרגית interfacial של חומר מדגם וחומר בדיקה) . 20
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
מודולוס של יאנג והתנגדות המפות (איור 3) תוצאות טיפוסיות נוכחיות של המדידות שתוארו לעיל. תכונות מכאניות וחשמליות של איטו / PEDOT: PSS/P3HT: 61 מחסנית מחשב BM נמדדו בשלילי (-10 V) וחיובי (+6 V) עם מתח לבדיקת AFM. ממצאי הדמיה, הקשורים לאינטראקציה אלקטרוסטטית בין AFM הבדיקה והמדגם, הם בעיה נפוצה למדידות כמותיות של מאפיינים תפקודיים באמצעות AFM. דמיון גודל moduli של יאנג נמדד במתחים שונים מדגים חוסנו של פרוטוקול המדידה שתואר לעיל ביחס לחפצים אלקטרוסטטי. לעתים קרובות שינויים בהרכב כימי בתוך חומר קשורים בשינויים המקומיים במודולוס של יאנג. המדגם ששמש במחקר זה הוא מכשיר תאים סולרי ללא האלקטרודה העליונה. השכבה העליונה (P3HT: המחשב 61 BM) בערימה היא השכבה הפעילה שבו התא הסולרית conversיון של האור לחשמל מתרחש. ביצועי תאים סולריים מאוד תלויים בהרכב כימי של המורפולוגיה והשכבה הפעילה.
צור נוקשות ונוכחיות נמדד באמצעות AFM לעתים קרובות מתואמים (איור 4) בגלל השינויים בשטח מגע בין חללית AFM ופני השטח. מתאם כזה לעתים קרובות מסבך קביעה כמותית של מכאני (מודולוס של יאנג) ותכונות חשמליות (התנגדות) של החומר. הפרוטוקול, בתנאים לעיל, חשבונות לשינויים בשטח מגע על ידי מדידות ישירות של כוח ההדבקה בין AFM החללית ופני השטח, אשר בתורו מאפשר למדידות כמותיות של מודולוס והתנגדותו של יאנג. 61 תחומי BM-PC עשירים הם נוקשים מאשר אלה פולימר עשירים. אי להסביר השתנות שטח מגע מוביל למצג שווא תחום. לדוגמה, מחשב 61 תחום נוקשה BM-עשיר גלוי על שניהם נוקשות וקשר הצעיר שלהפרופילים של מודולוס הקו (איור 4 א), ואילו מחשב האחר 61 התחום BM-עשיר (איור 4B) מופיע רק במפת מודולוס של יאנג.
השיטה שתוארה לעיל מאפשרת לייחוס של הרכב כימי על פני השטח של P3HT: 61 שכבת BM-PC. שני סוגים של תחומים עם moduli של הצעירים שונים ניכרים באיור 3 (א) ו 3 (ב). ידע על הרכב כימי של השכבה הפעילה ונתוני ספרות על תכונות מכאניות של P3HT 21-26 והמחשב 61 BM 21 מאפשר ייחוס של תחומים עם מודולוס של יאנג סביב 0.01 כמו אלה GPA P3HT עשירים (מופיע כחול בתרשים 3 (א) ו ( ב)) ודומיינים עם מודולוס של יאנג סביב 0.1 GPA כ61 אלה BM-PC עשירים (מופיע באדום כהה איור 3 (א) ו (ב)). התנגדות 27 מפות (איור 3 (ג) ו (ד) </ Strong>) לספק מידע על קישוריות חשמלית בין המשטח העליון של P3HT: שכבת BM מחשב 61 ושכבת איטו. בהפעלת תאים סולריים, מסעות שוטפים מחלק הארי של השכבה הפעילה לכיוון אספנים נוכחיים (איטו והאלקטרודה הופקדה על גבי P3HT: 61 שכבת מחשב בע"מ, בהתאמה), ובכך, מפות התנגדות הם פיסות מידע חיוניים ביותר המאפשרות מתאם של הרכב כימי וביצועים של תאים סולריים. איורים 3 (ג) ו3 (ד ') מראה כי התנגדות של 61 שינויי תחומים BM-עשירים P3HT עשירים ובמחשב בהתאם לקוטביות של מתח פנתה לבדיקת AFM. התחומים P3HT עשירים יש התנגדות נמוכה יותר במתח חיובי ועמידות גבוהה יותר במתח שלילי בהשוואה עם 61 תחומי BM-PC עשירים. זריקה אפשרית של חורים מהעבודה גבוהה פונקצית Pt החללית, מוליכות חור גבוהות יחסית של 28 P3HT ומוליכות חור של PEDOT: PSS להסביר התנגדות נמוכה יותר שלאזורי P3HT העשירים, כמו גם מכשול גבוה יותר להזרקת אלקטרונים ומאפייני דחיית אלקטרונים של PEDOT: PSS צוטטו כ27 סיבות לעמידות גבוהה יותר של 61 תחומי BM-PC העשירים בהשוואה לאלה P3HT עשירים תחת הטיה חיובית של חללית AFM. בהטיה השלילית, התנגדות של תחומים P3HT עשירים צריכה להגדיל והתנגדות של 61 תחומי PC BM צריכה להקטין בגלל ירידה ביעילות הזרקת חור של PEDOT: PSS 29 (וכתוצאה מכך הירידה של דחיית אלקטרונים) והזרקה של אלקטרונים ממוטים לרעה Pt חללית. ייחוס כימי של תחומים המבוסס על מדידות תכונות מכאניות תקף רק בקרבתו של האוויר P3HT: ממשק מחשב 61 BM, בעוד מדידות התנגדות לספק מידע על מסלולים נוכחיים בעובי של הסרט. בהקשר זה, מדידות מכאניות וחשמליות לספק מידע חינם על המדגם. וריאציה בהתנגדות wi61 תחומים P3HT עשירים ובמחשב דקים BM-עשיר פני שטח מגלים אי הומגניות של מבנה התחום בעובי סרט השכבה הפעילה.
סיכום, עלינו לתאר לפרוטוקול מדידות כמותיות של מודולוס והתנגדותו של יאנג מחומרים רכים על ידי חוסר ודאות שטח מגע מקלים. תכונות מכאניות של המחשב 61 תחומי BM-עשירים וP3HT עשירים שונות, המאפשרים לייחוס תחום על פני השטח של הסרט. שילוב של נתונים מכאניים וחשמליים מאפשר למתאם של מבנה התחום על פני השטח של סרט עם וריאצית תכונות חשמליות נמדדה באמצעות העובי של הסרט.
איור 1 כוח אופייני -. מרחק (כחול) והנוכחי - מרחק (אדוםעקומות) שצולמו באיטו / PEDOT: PSS/P3HT: המחשב 61 BM עם Pt חללית.
איור 2 מדידות החליטו מרחבית של טופוגרפיה (), כוח משיכה-off (ב '), נוקשות מגע (C), ומוליכות ב-10 V (ד') על איטו / PEDOT:. PSS/P3HT: מדגם PCBM. גודל תמונה הוא 10 מיקרומטר x 10 מיקרומטר.
איור 3. נפתר וריאציות של מודולוס של יאנג (A, B) וההתנגדות (C, D) מרחבית לשני מקומות שונים על פני השטח נמדדים ב-10 V (A, C) ו 6 V (B, D). תמונות () ו (ג) חושבו מהנתונים המוצגים ב
איור 4. פרופילי קו מהאזורים מסומנים בקווים המקווקווים שחורים על איורים 2 ו 3A, 3C. מתאם חזק בין נוקשות ובשל קשר נוכחי לפנות השתנות רדיוס ניכר. ביעור וריאציות רדיוס מגע מגלה 61 תחומים נוקשים PC BM-עשירים, שהם גרועים גלויים אחרים (ב '). לחצו כאן לצפייה בדמות גדולה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
אין ניגודי האינטרסים הכריזו.
Acknowledgments
MPN מודה לתכנית המלגות של המנהל לתמיכה כספית. MPN רוצה להודות ליו צ'י טסנג לעזרה בפיתוח הפרוטוקול לעיבוד תאים סולריים. עבודה זו בוצעה במרכז לחומרים ננומטריים, משרד אנרגיה אמריקאי, משרד המדע, המשרד למתקן אנרגיה בסיסית מדעי משתמש תחת חוזה המס 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 |
References
- Chen, W., Nikiforov, M. P., Darling, S. B. Morphology characterization in organic and hybrid solar cells. Energy Environ. Sci. , (2012).
- 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).
- 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).
- 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).
- Binnig, G., Quate, C. F., Gerber, C.
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Nikiforov, M. N., Brukman, M. J., Bonnell, D. A. High-resolution characterization of defects in oxide thin films. Applied Physics Letters. 93 (18), (2008).
- Kalinin, S. V., Karapetian, E., Kachanov, M.
- 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).
- 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).
- Botiz, I., Darling, S. B.
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Tahk, D., Lee, H. H., Khang, D. -Y. Elastic Moduli of Organic Electronic Materials by the Buckling Method. Macromolecules. 42 (18), 7079-7083 (2009).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
