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Engineering

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

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

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.

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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
    Equação 1
     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.

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Representative 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 Young medido em diferentes voltagens demonstra robustez do protocolo de medição descrito acima com respeito a artefatos electrostáticas. Muitas vezes variações na composição química dentro de um material está associada com as alterações nos locais de módulo de Young. A amostra utilizada no presente estudo é um dispositivo de célula solar sem o eléctrodo de topo. A camada superior (P3HT: PC 61 BM) na pilha é a camada de células solares ativo onde conversíon da luz em eletricidade ocorre. Desempenho da célula solar depende fortemente da composição morfologia e química da camada activa.

Contactar rigidez e corrente medidos utilizando AFM são frequentemente correlacionado (Figura 4), ​​devido às variações na área de contacto entre a sonda de AFM e a superfície. Tal correlação muitas vezes dificulta a determinação quantitativa de mecânica (Módulo de Young) e eléctricos (resistividade) propriedades do material. O protocolo, fornecidas acima, é responsável por variações na área de contacto por medições directas da força de adesão entre a sonda de AFM e a superfície, o que, por sua vez, permite a medição quantitativa do módulo de Young e a resistividade. PC 61 BM domínios ricos em polímero são mais rígidos do que os ricos. A falha em explicar a variabilidade área de contato leva à deturpação de domínio. Por exemplo, dura 61 PC domínio BM-rico é visível tanto na rigidez de contato e Youngmódulo de perfis de linha (Figura 4A), ao passo que o outro PC 61 domínios BM-rico (Figura 4B) aparecem apenas no mapa módulo de Young.

O método descrito acima permite a atribuição da composição química da superfície do P3HT: PC camada 61 BM. Existem dois tipos de domínios com módulos Jovens diferente são evidentes na Figura 3 (A) e 3 (B). Conhecimento sobre a composição química da camada ativa e dados da literatura sobre as propriedades mecânicas de P3HT 21-26 e 61 PC BM 21 permite a atribuição de domínios com o módulo de elasticidade em torno de 0,01 GPa como P3HT os ricos (aparecem em azul na Figura 3 (A) e ( B)) e domínios com o módulo de Young de cerca de 0,1 GPa, como PC 61 BM-ricos onas (vermelho escuro aparecem na Figura 3 (A) e (B)). 27 mapas de resistência (Figura 3 (C) e (D) </ Strong>) fornecem informações sobre a conectividade eléctrica entre a superfície de topo do P3HT: 61 PC BM camada e da camada de ITO. Em uma célula operacional solar, viagens de corrente de a maior parte da camada activa para colectores de corrente (ITO e ao eléctrodo depositado no topo do P3HT: PC 61 camada BM, respectivamente), assim, os mapas de resistência são peças vitais de informação que permitem correlação da composição química e do desempenho das células solares. Figuras 3 (C) e 3 (D) mostram que a resistência de P3HT ricos e PC 61 alterações BM domínios ricos em função da polaridade da tensão aplicada à sonda de AFM. P3HT domínios ricos têm uma menor resistência à tensão positiva e uma maior resistência à tensão negativa em comparação com a de PC 61 BM domínios ricos. Injeção de buracos possível a partir do trabalho de alta função Pt sonda, condutividade buraco relativamente alta de P3HT 28 e condutividade buraco de PEDOT: PSS explicar menor resistência deas áreas P3HT ricos, bem como uma maior barreira para a injecção de electrões e propriedades de rejeição de electrões de PEDOT: PSS foram citados como 27 razões para uma maior resistência do PC 61 BM domínios ricos em comparação com os P3HT ricos sob polarização positiva sonda de AFM. Na polarização negativa, a resistência de P3HT domínios ricos deve aumentar e resistência de PC 61 domínios BM deve diminuir devido a uma diminuição na eficiência de orifício de injecção de PEDOT: PSS 29 (resultando em diminuição da rejeição de electrões) e injecção de electrões do negativamente predisposto Pt sonda. Chemical atribuição de domínios com base nas medições das propriedades mecânicas é válida apenas na proximidade do ar P3HT: BM PC interface 61, enquanto que as medições de resistência fornecem informações sobre as vias de corrente através da espessura da película. Neste sentido, as medições de mecânica e eléctrica fornecem informação complementar sobre a amostra. Variação na resistência wiP3HT finas ricas e PC 61 BM domínios ricos em superfície, revela a falta de homogeneidade da estrutura do domínio activo em toda a espessura da camada de filme.

Resumindo, nós descrevemos um protocolo de medidas quantitativas de módulo de elasticidade e resistência de materiais macios por incerteza mitigação contato área. 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. 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.

Figura 1
Figura 1 força típica -. Distância (azul) e corrente - distância (vermelhoCurvas tomadas) sobre ITO / PEDOT: PSS/P3HT: PC 61 BM com Pt sonda.

Figura 2
Figura 2 medições resolvidas espacialmente de topografia (A), pull-off força (B), rigidez de contato (C) e condutividade a -10 V (D) em um ITO / PEDOT:. PSS/P3HT: amostra MBPC. Tamanho da imagem é 10 um x 10 m.

Figura 3
Figura 3. Espacialmente resolvido variações do Módulo de Young (A, B) e resistividade (C, D) para dois locais diferentes na superfície medidos à temperatura de -10 V (A, C) e de 6 V (B, D). Imagens (A) e (C) foram calculados a partir dos dados apresentados na 61 BM domínios ricos, que demonstram interruptor de resistividade em função da polaridade da tensão (baixa resistividade de polarização negativa e alta resistividade na polarização positiva). Linha preta pontilhada (A, C) indica as superfícies utilizadas para perfis de linha na Figura 4.

Figura 4
Perfis Figura 4. Linha das áreas indicadas com linhas pontilhadas em preto Figuras 2 e 3A, 3C. Forte correlação entre a rigidez de contato e atual devido ao contato variabilidade raio é aparente. Eliminação de variações raio de contato rígidas revela PC 61 BM domínios ricos, que são mal visível de outra forma (B). Clique aqui para ver maior figura .

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Disclosures

Não há conflitos de interesse declarados.

Acknowledgments

MPN é grato ao Programa de Bolsas do diretor de apoio financeiro. MPN quer agradecer Yu-Chih Tseng ajuda com o desenvolvimento do protocolo para o processamento de células solares. Este trabalho foi realizado no Centro de Materiais em nanoescala, o Departamento de Energia dos EUA, Escritório de Ciência, Instituto de Recurso de Usuário Básico Energy Sciences sob Contrato n º 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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