Summary
कार्बनिक सामग्री फोटोवोल्टिक (ओपीवी) स्वाभाविक nanometer पैमाने पर inhomogeneous हैं. ओपीवी सामग्री नेनो पैमाने inhomogeneity उपकरणों फोटोवोल्टिक के प्रदर्शन को प्रभावित करता है. इस पत्र में, हम उप-100 एनएम संकल्प के साथ ओपीवी सामग्री की विद्युत और यांत्रिक गुणों के मात्रात्मक मापन के लिए एक प्रोटोकॉल का वर्णन है.
Abstract
कार्बनिक सामग्री फोटोवोल्टिक (ओपीवी) स्वाभाविक nanometer पैमाने पर inhomogeneous हैं. ओपीवी सामग्री नेनो पैमाने inhomogeneity उपकरणों फोटोवोल्टिक के प्रदर्शन को प्रभावित करता है. इस प्रकार, रचना के रूप में के रूप में अच्छी तरह से ओपीवी सामग्री के बिजली के गुणों में स्थानिक बदलाव की समझ PV प्रौद्योगिकी को आगे बढ़ने के लिए सर्वोपरि महत्व के इस पत्र में 1,2 है, हम साथ उप ओपीवी सामग्री की विद्युत और यांत्रिक गुणों के मात्रात्मक मापन के लिए एक प्रोटोकॉल का वर्णन -100 एनएम संकल्प. वर्तमान में, सामग्री संपत्तियों माप व्यावसायिक रूप से उपलब्ध AFM तकनीक पर आधारित (PeakForce, प्रवाहकीय AFM) का उपयोग आम तौर पर केवल गुणात्मक जानकारी प्रदान प्रदर्शन किया. के रूप में के रूप में अच्छी तरह से प्रतिरोध यंग मापांक prototypical इतो / PEDOT हमारे विधि का उपयोग करके मापा के लिए मान: PSS/P3HT: पीसी 61 बी.एम. प्रणाली साहित्य डेटा के साथ अच्छी तरह से अनुरूप हैं. P3HT: पीसी 61 बी.एम. मिश्रण 61 पीसी पर अलग बी.एम. अमीर और P3HT अमीर domaiएनएस. पीसी 61 बी.एम. अमीर और P3HT अमीर डोमेन मैकेनिकल गुण अलग कर रहे हैं, जो फिल्म की सतह के पर डोमेन रोपण के लिए अनुमति देता है. महत्वपूर्ण बात है, यांत्रिक और बिजली के डेटा के संयोजन बिजली के गुणों फिल्म की मोटाई के माध्यम से मापा भिन्नता के साथ फिल्म की सतह पर डोमेन संरचना के संबंध के लिए अनुमति देता है.
Introduction
रूपांतरण दक्षता सत्ता में हाल ही में कार्बनिक फोटोवोल्टिक (PCE) सफलताओं (ओपीवी) कोशिकाओं (सेल स्तर पर 10% धक्का) उच्च throughput और कम लागत वाली निर्माण 4 प्रक्रियाओं के साथ अनुपालन के साथ मिलकर 3 ओपीवी प्रौद्योगिकी पर एक के रूप में एक चर्चा में लाया है बड़े क्षेत्र सौर कोशिकाओं की सस्ती निर्माण की चुनौती के लिए संभव समाधान. ओपीवी सामग्री स्वाभाविक nanometer पैमाने पर inhomogeneous हैं. ओपीवी सामग्री और फोटोवोल्टिक उपकरणों के प्रदर्शन के नेनो पैमाने inhomogeneity परिचित जुड़े हुए हैं. इस प्रकार, रचना के रूप में के रूप में अच्छी तरह से ओपीवी सामग्री के बिजली के गुणों में समझ inhomogeneity ओपीवी प्रौद्योगिकी आगे बढ़ने के लिए सर्वोपरि महत्व का है. परमाणु शक्ति माइक्रोस्कोपी (AFM) 1986 के बाद से सतह स्थलाकृति के उच्च संकल्प के मापन के लिए एक उपकरण के रूप में विकसित किया गया है 5 आजकल, सामग्री गुण (यंग मापांक, 6-10 काम समारोह, 11 आचरण के लिए तकनीकivity, 12 electromechanics, 13-15 आदि) माप बढ़ती ध्यान आकर्षित कर रहे हैं. ओपीवी सामग्री के मामले में स्थानीय चरण संरचना और बिजली के गुणों के संबंध खुलासा कार्बनिक सौर कोशिकाओं की अंदरूनी कामकाज के बेहतर समझ के लिए वादा धारण 1, 16-17 AFM आधारित तकनीक उच्च संकल्प चरण के लिए सक्षम हैं 8 रोपण के रूप में अच्छी तरह से. के रूप में बिजली के गुण polymeric सामग्री में मानचित्रण. इस प्रकार, सिद्धांत रूप में, बहुलक चरण (यांत्रिक माप के माध्यम से) 18 संरचना और बिजली के गुणों के संबंध संभव है AFM आधारित तकनीक का उपयोग कर. सामग्री के यांत्रिक और बिजली के गुणों के मापन के लिए कई AFM आधारित तकनीक AFM जांच और सतह के बीच संपर्क की लगातार क्षेत्र की धारणा का उपयोग करें. यह धारणा अक्सर विफल रहता है, सतह स्थलाकृति और यांत्रिक / बिजली के गुणों के बीच मजबूत संबंध में जो परिणाम है. हाल ही में, एक नए AFM आधारित तकनीकयांत्रिक (PeakForce) गुण के 19 उच्च throughput मापन पेश किया गया था. PeakForce टूना (PeakForce विधि की भिन्नता) नमूने के यांत्रिक और बिजली के गुणों की समवर्ती मापन के लिए एक मंच प्रदान करता है. हालांकि, PeakForce टूना विधि यांत्रिक और बिजली संपत्ति नक्शे, जो आम तौर पर जोरदार माप के दौरान संपर्क की बेहिसाब परिवर्तनशीलता की वजह से सहसंबद्ध होते हैं पैदा करता है. इस पत्र में, हम संपर्क त्रिज्या अलग जबकि यांत्रिक और बिजली AFM का उपयोग संपत्तियों की सटीक मापन को बनाए रखने के साथ जुड़े correlations को दूर करने के लिए एक प्रयोगात्मक प्रोटोकॉल उपस्थित थे. सामग्री प्रतिरोध और यंग मापांक के मात्रात्मक माप में प्रोटोकॉल परिणामों के कार्यान्वयन.
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Protocol
1. संकेत अधिग्रहण
- एक वाणिज्यिक बहुपद्वति (Veeco, सांता बारबरा, CA) AFM NanoScope-V नियंत्रक के साथ सुसज्जित में नमूना (पीसी बी.एम. 61): PSS/P3HT बहुलक कैथोड बिना सौर सेल (आईटीओ / PEDOT) स्थापित करें.
- प्रवाहकीय AFM जांच बहुपद्वति AFM जांच धारक में स्थापित करें.
- AFM जांच, नमूना और वोल्टेज स्रोत के बीच बिजली के कनेक्शन बनाएँ.
- ट्रेन वर्तमान प्रवर्धक उत्पादन (वर्तमान संकेत), बहुपद्वति AFM विक्षेपन उत्पादन (बल संकेत), एक डिजिटल अधिग्रहण कार्ड में बहुपद्वति AFM नमूना ऊंचाई (दूरी संकेत) निर्गम (DAQ एनआई-PCI-6115). Femto पर लाभ DLPCA 200 वर्तमान एम्पलीफायर 1 ना / 50 kHz बैंडविड्थ पर वी है.
- AFM जांच और इतो इलेक्ट्रोड के बीच 6V पूर्वाग्रह लागू.
- बहुपद्वति AFM PeakForceTM स्थलाकृति संकेत इकट्ठा मोड में चलाएँ: nn 30, 300 एनएम का समर्थन दोलन आयाम, 2 kHz के समर्थन दोलन आवृत्ति, 1 हर्ट्ज की दर स्कैन, और एक resoluti के शिखर बल सेट बिंदु512 पिक्सल द्वारा 512 के.
- स्थलाकृति संकेत (कदम ई) के अधिग्रहण के साथ समवर्ती नियंत्रण / LabView MATLAB द्वारा अनुभाग घ में सूचीबद्ध संकेतों ले लीजिए.
2. : खींचो बंद सेना के सृजन, संपर्क कठोरता, और वर्तमान मैप्स विश्लेषण चरण 1 डेटा
- MATLAB में समय मोहरदार मौजूदा बल, और दूरी का संकेत पढ़ें.
- , दूरी और बल - पहली लाइन स्कैन के लिए वर्तमान घटता 2,000 बल बनाएँ. घटता की संख्या समर्थन दोलन आवृत्ति और दर स्कैन के एक समारोह है.
- प्रत्येक सेना से दूरी वक्र, कठोरता संपर्क निर्धारित और AFM जांच (1 चित्रा) की वापसी के दौरान बंद बल खींच.
- प्रत्येक बल से वर्तमान वक्र, औसत वर्तमान निर्धारित जबकि AFM जांच वापस लेने का (1 चित्रा) के दौरान सतह के साथ संपर्क में है.
- जड़ना 2000 संपर्क समान रूप से स्थान जकड़न, पुल बंद बल, और 512 अंक के द्वारा वर्तमान अंक के लिए प्रस्ताव मैचस्थलाकृति संकेत के tion. संपर्क कठोरता, पुल बंद बल, और वर्तमान नक्शे के लिए पहली लाइन स्कैन किया जाता है.
- ई 512 बार के माध्यम से ख चरणों का दोहरा कठोरता, पुल बंद बल, और वर्तमान नक्शे से संपर्क बनाएँ. परिणाम 2 चित्र में दिखाया जाता है.
3. डेटा विश्लेषण चरण 2: संपर्क क्षेत्र कलाकृतियों का उन्मूलन
- समीकरण का उपयोग करें (1) और (2) यंग (ई सामग्री) मापांक और सामग्री का प्रतिरोध (ρ) स्कैन के प्रत्येक बिंदु पर प्राप्त करने के लिए: 20
का उपयोग कर F ADH = F PULL - 8 (AFM और सतह के बीच पानी meniscus के कारण आसंजन) nn, 20 संपर्क कठोरता (कश्मीर), और वर्तमान (आई) नक्शे, जांच कर रही वोल्टेज (वी), फिल्म मोटाई (एल), और आसंजनऊर्जा (w = γ जांच + γ मटेरिया एल - γ जांच - सामग्री, जहां γ जांच - सामग्री की जांच सतह ऊर्जा, γ सामग्री नमूना सामग्री की सतह ऊर्जा, और γ जांच - सामग्री - नमूना सामग्री और जांच सामग्री की interfacial ऊर्जा) 20.
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Representative Results
यंग मापांक और प्रतिरोधकता नक्शे (3 चित्रा) के मापन के वर्तमान ठेठ परिणाम ऊपर वर्णित है. इतो / PEDOT के यांत्रिक और बिजली के गुण: PSS/P3HT: पीसी 61 बी.एम. ढेर (-10 वी) नकारात्मक और सकारात्मक (6 वी) AFM जांच करने के लिए आवेदन voltages में मापा गया. इमेजिंग कलाकृतियों, AFM जांच और नमूने के बीच electrostatic बातचीत के साथ जुड़े, कार्यात्मक गुण का उपयोग कर AFM मात्रात्मक मापन के लिए एक आम समस्या है. विभिन्न voltages पर मापा यंग moduli परिमाण के समानता माप electrostatic कलाकृतियों के लिए सम्मान के साथ ऊपर वर्णित प्रोटोकॉल की मजबूती को दर्शाता है. अक्सर एक सामग्री के भीतर रासायनिक संरचना में बदलाव यंग मापांक में स्थानीय परिवर्तन के साथ जुड़े रहे हैं. इस अध्ययन में इस्तेमाल नमूना शीर्ष इलेक्ट्रोड बिना एक सौर सेल डिवाइस है. ऊपर परत (P3HT: पीसी बी.एम. 61) ढेर में सौर सेल सक्रिय परत है, जहां conversप्रकाश की बिजली में आयन होता है. सौर सेल प्रदर्शन जोरदार सक्रिय परत की आकारिकी और रासायनिक संरचना पर निर्भर करता है.
संपर्क कठोरता और वर्तमान AFM का उपयोग कर रहे हैं अक्सर AFM जांच और सतह के बीच संपर्क के क्षेत्र में बदलाव की वजह से सहसंबद्ध (4 चित्रा) मापा. इस तरह के सहसंबंध अक्सर यांत्रिक की मात्रात्मक निर्धारण (यंग है मापांक) और बिजली (प्रतिरोधकता) सामग्री के गुण पेचीदा हो. प्रोटोकॉल, ऊपर प्रदान की, AFM जांच और सतह, जो बारी में यंग मापांक और प्रतिरोधकता की मात्रात्मक मापन के लिए अनुमति देता है आसंजन के बीच बल के प्रत्यक्ष माप द्वारा संपर्क क्षेत्र में विविधताओं के लिए खातों. 61 पीसी बी.एम. अमीर डोमेन बहुलक अमीर लोगों की तुलना में stiffer हैं. संपर्क क्षेत्र परिवर्तनशीलता के लिए खाते में विफलता डोमेन गलत बयानी के लिए होता है. उदाहरण के लिए, कठोर पीसी 61 बी.एम. अमीर डोमेन दोनों संपर्क कठोरता और युवा पर दिखाई देता हैमापांक लाइन (4A चित्रा) प्रोफाइल, जबकि 61 अन्य पीसी बी.एम. अमीर डोमेन (4B चित्रा) यंग मापांक नक्शे पर ही प्रकट होता है.
पीसी 61 बी.एम. परत: ऊपर वर्णित विधि P3HT की सतह पर रासायनिक संरचना के रोपण के लिए अनुमति देता है. अलग यंग moduli साथ डोमेन की दो प्रकार चित्रा 3 (ए) और 3 (ख) में स्पष्ट कर रहे हैं. सक्रिय परत और 21-26 P3HT और पीसी 61 21 बी.एम. के यांत्रिक गुणों पर साहित्य डेटा के रासायनिक संरचना के बारे में ज्ञान 0.01 GPA के रूप P3HT अमीर लोगों के आसपास यंग है मापांक के साथ डोमेन के रोपण की अनुमति देता है (चित्रा 3 (ए) पर नीले दिखाई देगा और ( बी)) और 0.1 चारों ओर यंग मापांक के साथ डोमेन GPa पीसी 61 बी.एम. अमीर लोगों (चित्रा 3 (ए) पर गहरे लाल रंग में दिखाई देगा और () बी) 27. प्रतिरोध नक्शे (3 चित्रा (सी) और (डी) के रूप में </ Strong>) P3HT के ऊपर की सतह के बीच बिजली के संपर्क के बारे में जानकारी प्रदान करने के लिए: पीसी 61 बी.एम. परत और इतो परत. एक ऑपरेटिंग सौर सेल में, वर्तमान कलेक्टरों की ओर सक्रिय परत के थोक (आईटीओ और इलेक्ट्रोड P3HT के शीर्ष पर जमा: पीसी 61 बी.एम. परत, क्रमशः) से मौजूदा यात्रा, इस प्रकार, प्रतिरोध नक्शे जानकारी के महत्वपूर्ण टुकड़े के लिए अनुमति देते हैं रासायनिक संरचना और सौर कोशिकाओं के प्रदर्शन के संबंध आंकड़े 3 (सी) और 3 (डी) P3HT अमीर और पीसी 61 बी.एम. अमीर डोमेन परिवर्तन वोल्टेज की polarity AFM जांच करने के लिए आवेदन के आधार पर की है कि प्रतिरोध दिखा. P3HT अमीर डोमेन सकारात्मक वोल्टेज कम प्रतिरोध और पीसी 61 बी.एम. अमीर डोमेन के साथ तुलना में नकारात्मक वोल्टेज में उच्च प्रतिरोध है. उच्च काम समारोह पं. जांच, 28 P3HT और PEDOT के छेद चालकता के अपेक्षाकृत उच्च चालकता छेद से छेद के संभावित इंजेक्शन: PSS कम के प्रतिरोध की व्याख्याP3HT समृद्ध क्षेत्रों, के रूप में के रूप में अच्छी तरह से इलेक्ट्रॉन और PEDOT के इंजेक्शन इलेक्ट्रॉन अस्वीकृति गुण के लिए एक उच्च बाधा: PSS के सकारात्मक पूर्वाग्रह के तहत P3HT अमीर लोगों के साथ तुलना में 61 पीसी बी.एम. अमीर डोमेन के उच्च प्रतिरोध के लिए कारण के रूप में 27 में उद्धृत किया गया AFM जांच. नकारात्मक पूर्वाग्रह, P3HT अमीर डोमेन के प्रतिरोध में वृद्धि है और पीसी 61 बी.एम. डोमेन के प्रतिरोध छेद PEDOT के इंजेक्शन क्षमता में कमी की वजह से कम करना चाहिए करना चाहिए: नकारात्मक पक्षपातपूर्ण PSS 29 (जिसके परिणामस्वरूप इलेक्ट्रॉन अस्वीकृति की कमी) और इलेक्ट्रॉनों का इंजेक्शन पं. जांच. डोमेन के रासायनिक रोपण यांत्रिक गुणों माप के आधार पर केवल हवा P3HT की निकटता में वैध है: पीसी 61 बी.एम. इंटरफ़ेस, है जबकि प्रतिरोध माप फिल्म की मोटाई के माध्यम से वर्तमान रास्ते के बारे में जानकारी प्रदान करते हैं. इस संबंध में, यांत्रिक और बिजली के माप के नमूने के बारे में मानार्थ जानकारी प्रदान करते हैं. प्रतिरोध वाई में रूपांतरपतली P3HT अमीर और पीसी 61 बी.एम. अमीर सतह डोमेन सक्रिय परत फिल्म मोटाई भर डोमेन संरचना के inhomogeneity का पता चलता है.
सारांश, हम mitigating संपर्क क्षेत्र अनिश्चितता से यंग मापांक और नरम सामग्री की प्रतिरोधकता के मात्रात्मक मापन के लिए एक प्रोटोकॉल का वर्णन किया. पीसी 61 बी.एम. अमीर और P3HT अमीर डोमेन मैकेनिकल गुण अलग कर रहे हैं, जो फिल्म की सतह पर डोमेन रोपण के लिए अनुमति देते हैं. यांत्रिक और बिजली के डेटा के युग्म फिल्म की मोटाई के माध्यम से मापा बिजली के गुणों विभिन्नता के साथ फिल्म की सतह पर डोमेन संरचना के संबंध के लिए अनुमति देता है.
चित्रा 1 विशिष्ट बल (नीला) दूरी और वर्तमान दूरी (लाल.) इतो / PEDOT पर लिया घटता PSS/P3HT: पीसी 61 पं. जांच के साथ बी.एम..
चित्रा 2 spatially स्थलाकृति का हल माप (ए), पुल बंद बल (बी), संपर्क कठोरता (सी), और -10 पर चालकता एक / इतो PEDOT वी (डी):. PSS/P3HT PCBM नमूना. छवि का आकार 10 मीटर x 10 सुक्ष्ममापी है.
चित्रा 3 spatially सतह पर दो अलग अलग स्थानों -10 (ए, सी) और वी वी 6 (बी, डी) में मापा के लिए यंग (ए, बी) मापांक और प्रतिरोधकता (सी, डी) के बदलाव का संकल्प लिया. छवियाँ (ए) और (सी) में प्रस्तुत आंकड़ों से गणना की गई
चित्रा 4 क्षेत्रों से लाइन प्रोफाइल 2 आंकड़े और 3A, 3C पर काले बिंदीदार लाइनों के साथ संकेत दिया. संपर्क कठोरता और कारण वर्तमान त्रिज्या परिवर्तनशीलता से संपर्क करने के बीच मजबूत संबंध स्पष्ट है. संपर्क त्रिज्या विविधताओं के उन्मूलन कड़ी पीसी 61 बी.एम. अमीर डोमेन से पता चलता है, जो खराब अन्यथा दिखाई (बी). बड़ा आंकड़ा देखने के लिए यहां क्लिक करें .
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Disclosures
ब्याज की कोई संघर्ष की घोषणा की.
Acknowledgments
MPN निदेशक वित्तीय सहायता के लिए फैलोशिप प्रोग्राम के लिए आभारी है. MPN यू-Chih Tseng सौर सेल प्रसंस्करण के लिए प्रोटोकॉल के विकास के साथ मदद के लिए धन्यवाद करना चाहता है. इस काम नेनो पैमाने सामग्री के लिए केंद्र, ऊर्जा के एक अमेरिकी विभाग, विज्ञान के कार्यालय, मूल सं डे AC02 06CH11357 अनुबंध के तहत ऊर्जा विज्ञान सुविधा उपयोगकर्ता के कार्यालय पर प्रदर्शन किया गया था.
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
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