Parallèlement conductivité quantitatives et mesures mécaniques Propriétés des matériaux organiques photovoltaïques par AFM

Résumé

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.

Résumé

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.

Protocole

1. Acquisition de signaux

1. 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.
2. Installez conducteur AFM sonde dans multimode AFM porte-sonde.
3. Créer une connexion électrique entre la sonde AFM, l'échantillon et la source de tension.
4. 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.
5. Appliquer biais 6V entre l'AFM sonde et l'électrode ITO.
6. 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.
7. 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

1. Lire horodatées de signaux de courant, la force et la distance dans MATLAB.
2. 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.
3. 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).
4. 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).
5. 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.
6. 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

1. 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.

Résultats

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 quantitative...

matériels

Name	Company	Catalog Number	Comments
Nom de réactif / Matériel	Entreprise	Numéro de catalogue	Commentaires
Encres Plextronics	Plexcore	PV 1000
Substrats en verre revêtus d'ITO	Delta Technologies, Inc		25 ohms / carré
30 MHz synthétisé générateur de fonction	Stanfor recherche sur les systèmes	DS345
Amplificateur de courant	Femto	DLPCA-200
Multimode AFM	Veeco, Santa Barbara, Californie		équipé d'Nanoscope-V contrôleur
DAQ carte	National Instruments	NI PCI-6115-
Métal sondes Pt	RMNano	12Pt3008
Logiciel MATLAB	Mathworks
Logiciel LabView	National Instruments