Summary
Photovoltaïques organiques (OPV) des matériaux sont intrinsèquement inhomogène à l'échelle nanométrique. Inhomogénéité échelle nanométrique de matériaux VPO affecte les performances des dispositifs photovoltaïques. Dans cet article, nous décrivons un protocole pour les mesures quantitatives des propriétés électriques et mécaniques des matériaux avec une résolution de VPO nm sous-100.
Abstract
Photovoltaïques organiques (OPV) des matériaux sont intrinsèquement inhomogène à l'échelle nanométrique. Inhomogénéité échelle nanométrique de matériaux VPO affecte les performances des dispositifs photovoltaïques. Ainsi, la compréhension des variations spatiales de la composition ainsi que les propriétés électriques des matériaux VPO est d'une importance primordiale pour le déplacement en avant la technologie photovoltaïque. 1,2 Dans cet article, nous décrivons un protocole pour les mesures quantitatives des propriétés électriques et mécaniques des matériaux avec le VPO sous 100 nm résolution. Actuellement, les propriétés des matériaux mesures effectuées par l'AFM disponibles dans le commerce à base de techniques (PeakForce, conducteur AFM) fournissent généralement que des informations qualitatives. Les valeurs de la résistance ainsi que le module d'Young mesuré à l'aide de notre méthode sur le prototype ITO / PEDOT: PSS/P3HT: 61 Système PC BM correspondent bien aux données de la littérature. Le P3HT: PC 61 mélange BM sépare sur le PC 61 BM-riche et P3HT riche domains. Les propriétés mécaniques des PC 61 domaines BM-riches et P3HT-riches sont différents, ce qui permet l'attribution de domaine sur la surface du film. Surtout, la combinaison de données mécaniques et électriques permettant la corrélation de la structure de domaine sur la surface du film avec des variations des propriétés électriques mesurées à travers l'épaisseur du film.
Introduction
Les découvertes récentes de l'efficacité de conversion de puissance (PCE) de photovoltaïque organique (OPV) des cellules (10% poussant au niveau cellulaire) 3, de concert avec le respect des procédés de fabrication à haut débit et à faible coût 4 ont mis un coup de projecteur sur la technologie VPO comme un solution possible pour relever le défi de la fabrication bon marché de grande surface des cellules solaires. VPO matériaux sont intrinsèquement inhomogène à l'échelle nanométrique. Inhomogénéité échelle nanométrique de matériaux VPO et les performances des dispositifs photovoltaïques sont intimement liés. Ainsi, la compréhension hétérogénéité de la composition ainsi que les propriétés électriques des matériaux VPO est d'une importance primordiale pour déplacer la technologie VPO avant. Microscopie à force atomique (AFM) a été conçu comme un outil pour les mesures à haute résolution de la topographie de surface depuis 1986. 5 De nos jours, les techniques de propriétés des matériaux (module d'Young, 6-10 fonction de travail, 11 conduitemesures ivité, 12 électromécanique, 13-15, etc) sont d'une attention croissante. Dans le cas de matériaux VPO, la corrélation de composition de la phase locale et les propriétés électriques promet de révéler de mieux comprendre les rouages de cellules solaires organiques. 1, 16-17 AFM à base de techniques sont capables de haute résolution phase d'attribution 8 ainsi comme la cartographie des propriétés électriques des matériaux polymères. Ainsi, en principe, la corrélation de composition de la phase polymère (par des mesures mécaniques) 18 et des propriétés électriques est possible en utilisant des techniques basées sur l'AFM. Beaucoup AFM techniques basées sur des mesures des propriétés mécaniques et électriques des matériaux utiliser l'hypothèse de la région constante de contact entre la sonde et la surface de l'AFM. Cette hypothèse n'est pas souvent, ce qui entraîne une forte corrélation entre la topographie de surface et les propriétés mécaniques / électriques. Récemment, une nouvelle technique basée sur l'AFM pourà haut débit mesures des propriétés mécaniques (PeakForce) 19 a été introduit. THON PeakForce (variante de la méthode PeakForce) fournit une plate-forme pour des mesures simultanées des propriétés mécaniques et électriques de l'échantillon. Cependant, la méthode THON PeakForce produit des cartes de propriétés mécaniques et électriques, qui sont généralement fortement corrélés en raison de la variabilité disparus de contact pendant les mesures. Dans cet article, nous présentons un protocole expérimental pour enlever les corrélations associées à rayon variable de contact tout en maintenant des mesures précises des propriétés mécaniques et électriques par AFM. La mise en œuvre des résultats du protocole de mesures quantitatives de la résistance des matériaux et de module d'Young.
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Protocol
1. Acquisition de signaux
- Installez échantillon (cellule solaire polymère sans cathode (ITO / PEDOT: PSS/P3HT: PC 61 BM)) dans une publicité AFM multimode (Veeco, Santa Barbara, CA) équipé d'Nanoscope-V contrôleur.
- Installez conducteur AFM sonde dans multimode AFM porte-sonde.
- Créer une connexion électrique entre la sonde AFM, l'échantillon et la source de tension.
- Sortie de l'amplificateur itinéraire actuel (signal de courant), multimode de sortie de déflexion AFM (force du signal), multimode de sortie AFM hauteur de l'échantillon (signal de distance) dans une carte d'acquisition numérique (NI PCI-6115-DAQ). Le gain sur la Femto DLPCA-200 amplificateur de courant est de 1 nA / V à 50 kHz de bande passante.
- Appliquer biais 6V entre l'AFM sonde et l'électrode ITO.
- Exécuter multimode AFM en mode PeakForceTM collecte signal de topographie: pic de point de consigne force de 30 nN, une amplitude d'oscillation soutien de 300 nm, une fréquence d'oscillation de soutien de 2 kHz, une vitesse de balayage de 1 Hz, et une resolutile de 512 par 512 pixels.
- Capter les signaux énumérés à l'article j en LabView / MATLAB commande en même temps l'acquisition du signal topographie (e étape).
2. Étape 1 Analyse des données: Génération de Pull-off Force, rigidité de contact et cartes actuelles
- Lire horodatées de signaux de courant, la force et la distance dans MATLAB.
- Créez 2.000 vigueur - la distance et la force - courbes de courant pour la première ligne de balayage. Nombre de courbes est une fonction de la fréquence d'oscillation de support et le taux de balayage.
- A partir de chaque courbe force - distance, de déterminer avec rigidité et l'arrachement de la force lors du retrait de la sonde AFM (Figure 1).
- À partir de chaque courbe force - courant, déterminer le courant moyen pendant la sonde AFM est en contact avec la surface pendant retirer (figure 1).
- Interpoler 2000 rigidité de contact à distance égale, l'arrachement de la force, et les points actuels de 512 points pour correspondre à la résolutiontion du signal de la topographie. La première ligne de balayage pour une rigidité de contact, l'arrachement de la force, et les cartes actuelles est effectuée.
- Créer un contact rigidité, une halte-d'œuvre, et les cartes actuelles en répétant les étapes B à E 512 fois. Les résultats sont présentés dans la figure 2.
3. Étape d'analyse des données 2: Élimination de la région de contact Artefacts
- Utiliser l'équation (1) et (2) pour obtenir le module d'Young (E MATERIAU) et la résistance (ρ) du matériau en chaque point de l'analyse: 20
avec F = F ADH PULL - 8 nN (adhérence due à ménisque d'eau entre l'AFM et la surface), 20 raideur de contact (k), et le courant (I) cartes; tension d'évaluation (V), l'épaisseur du film (L), et adhésionl'énergie (w = γ + SONDE L MATERIA γ - γ SONDE - MATERIEL, où SONDE γ - énergie de surface du matériau sonde, MATÉRIEL γ - énergie de surface du matériau de l'échantillon, et γ-SONDE MATÉRIEL - énergie interfaciale du matériau de l'échantillon et le matériau de la sonde) 20.
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Representative Results
Le module de Young et de la résistivité des cartes (figure 3) présente des résultats typiques des mesures décrites ci-dessus. Propriétés mécaniques et électriques de l'ITO / PEDOT: PSS/P3HT: PC 61 pile BM ont été mesurées à une valeur négative (-10 V) et positive (+6 V) Tensions appliquée à la sonde AFM. Artefacts d'imagerie, associés à l'interaction électrostatique entre la sonde AFM et l'échantillon, sont un problème courant pour les mesures quantitatives des propriétés fonctionnelles par AFM. La similitude de grandeur des modules de Young mesuré à différentes tensions démontre la robustesse du protocole de mesure décrit ci-dessus en ce qui concerne les artefacts électrostatiques. Souvent des variations de composition chimique d'un matériau à l'intérieur sont associés à des changements locaux dans le module de Young. L'échantillon utilisé dans cette étude est un dispositif de pile solaire sans l'électrode supérieure. La couche supérieure (P3HT: PC 61 BM) dans la pile est la couche de cellule solaire actif où Conversion de la lumière en électricité se produit. Performance des cellules solaires dépend fortement de la composition chimique de la morphologie et de la couche active.
Contactez rigidité et courant mesuré en utilisant l'AFM sont souvent corrélés (figure 4) en raison des variations de la zone de contact entre la sonde et la surface de l'AFM. Une telle corrélation complique souvent la détermination quantitative de la mécanique (module de Young) et électriques (résistivité) des propriétés du matériau. Le protocole indiqué ci-dessus, représente les variations de la surface de contact par mesure directe de la force d'adhérence entre la sonde et la surface de l'AFM, ce qui permet des mesures quantitatives de module d'Young et la résistivité. PC 61 BM-domaines riches sont plus rigides que ceux riches en polymère. Le défaut de tenir compte de la variabilité zone de contact conduit à une fausse déclaration de domaine. Par exemple, raide PC 61 BM domaine riche est visible sur la rigidité de contact à la fois et Youngprofils de raies module (figure 4A), tandis que l'autre 61 PC BM domaine riche (figure 4B) apparaît seulement sur la carte du module de Young.
Le procédé décrit ci-dessus permet l'attribution de la composition chimique sur la surface du P3HT: PC 61 BM couche. Deux types de domaines avec des modules de Young différent sont visibles sur la figure 3 (A) et 3 (B). La connaissance de la composition chimique de la couche active et les données de la littérature sur les propriétés mécaniques de P3HT 21-26 et PC 61 BM 21 permet l'attribution de domaines avec le module de Young d'environ 0,01 GPa que P3HT riches ceux (en bleu sur la figure 3 (A) et ( B)) et les domaines avec le module de Young d'environ 0,1 GPa comme PC 61 BM-riches (ceux qui apparaissent en rouge foncé sur la figure 3 (A) et (B)). 27 cartes résistance (figure 3 (C) et (D) </ Strong>) fournir des informations au sujet de la connectivité électrique entre la surface supérieure de la P3HT: PC 61 BM couche et la couche d'ITO. Dans une cellule solaire de service, courant circule de la majeure partie de la couche active vers les collecteurs de courant (ITO et l'électrode déposée sur le dessus du P3HT: PC 61 couche BM, respectivement), ainsi, cartes résistance sont des informations essentielles qui permettent de corrélation de la composition chimique et de la performance des cellules solaires. figures 3 (C) et 3 (D) montrent que la résistance de P3HT et riches en PC 61 changements domaines riches en BM en fonction de la polarité de la tension appliquée à la sonde AFM. P3HT domaines riches en présenter une résistance à la tension positive et une plus grande résistance à la tension négative par rapport à PC BM 61 domaines riches. Injection éventuelle de trous de la haute fonction de travail Pt sonde, la conductivité trou relativement élevé de P3HT 28 et conductivité trou de PEDOT: PSS expliquer diminution de la résistance desles zones riches en P3HT, ainsi que pour une plus grande barrière d'injection d'électrons et les propriétés de rejet d'électrons de PEDOT: PSS ont été cités comme 27 pour des raisons de résistance supérieure aux 61 PC BM-domaines riches en comparaison avec celles riches en P3HT sous polarisation positive de la sonde AFM. À biais négatif, la résistance de P3HT domaines riches doivent augmenter la résistance et de domaines de PC BM 61 devrait diminuer en raison d'une diminution de l'efficacité d'injection de trous de PEDOT: PSS 29 (résultat une diminution du rejet d'électrons) et l'injection d'électrons de la polarisation négative Pt sonde. Attribution de domaines chimique sur la base de la mesure des propriétés mécaniques n'est valable que dans la proximité de l'air P3HT: PC 61 d'interface BM, alors que les mesures de résistance de fournir des informations sur les voies de courant à travers l'épaisseur du film. À cet égard, des mesures mécaniques et électriques de fournir des informations sur l'échantillon gratuit. Variation de la résistance wiP3HT minces et riches en PC 61 domaines de surface BM-riches révèle inhomogénéité de la structure du domaine à travers l'épaisseur du film couche active.
En résumé, nous avons décrit un protocole pour les mesures quantitatives du module d'Young et de la résistivité des matériaux mous par l'incertitude zone de contact atténuante. Les propriétés mécaniques des PC 61 domaines BM-riches et P3HT-riches sont différents, ce qui permet l'attribution de domaine sur la surface du film. Combinaison des données mécaniques et électriques permettant la corrélation de la structure de domaine sur la surface du film avec des variations des propriétés électriques mesurées à travers l'épaisseur du film.
Figure 1 la force Typique -. Distance (bleu) et courant - la distance (en rougeCourbes) prises sur ITO / PEDOT: PSS/P3HT: PC 61 BM avec Pt sonde.
Figure 2 mesures en fonction de la topographie (A), la force d'arrachement (B), une raideur de contact (C), et la conductivité à -10 V (D) sur une ITO / PEDOT:. PSS/P3HT: PCBM échantillon. Taille de l'image est de 10 um x 10 um.
La figure 3. Résolue spatialement les variations du module de Young (A, B) et de la résistivité (C, D) pour deux emplacements différents sur la surface mesurée à -10 V (A, C) et 6 V (B, D). Images (A) et (C) ont été calculées à partir des données présentées dans
Profils de ligne Figure 4. Provenant des zones indiquées par des lignes noires en pointillé sur les figures 2 et 3A, 3C. Forte corrélation entre la rigidité de contact et du courant due à un contact variabilité rayon est apparente. Élimination des variations du rayon de contact rigides révèle PC BM 61 domaines riches, qui sont peu visibles autrement (B). Cliquez ici pour agrandir la figure .
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Disclosures
Aucun conflit d'intérêt déclaré.
Acknowledgments
MPN est reconnaissant envers le programme de bourses du directeur d'un soutien financier. MPN tient à remercier Yu-Chih Tseng de l'aide au développement du protocole pour le traitement de cellules solaires. Ce travail a été effectué au Centre pour les nanomatériaux, un Département américain de l'énergie, Bureau de la science, Bureau de la Facilité Energie utilisateur sciences fondamentales en vertu du contrat n ° 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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