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In questo articolo

  • Riepilogo
  • Abstract
  • Introduzione
  • Protocollo
  • Risultati
  • Divulgazioni
  • Riconoscimenti
  • Materiali
  • Riferimenti
  • Ristampe e Autorizzazioni

Riepilogo

Organici fotovoltaici (OPV) i materiali sono per loro natura non omogenea su scala nanometrica. Nanoscale disomogeneità dei materiali OPV influisce sulle prestazioni dei dispositivi fotovoltaici. In questo articolo, si descrive un protocollo per la misurazione quantitativa di proprietà elettriche e meccaniche dei materiali OPV con sub-risoluzione di 100 nm.

Abstract

Organici fotovoltaici (OPV) i materiali sono per loro natura non omogenea su scala nanometrica. Nanoscale disomogeneità dei materiali OPV influisce sulle prestazioni dei dispositivi fotovoltaici. Pertanto, la comprensione delle variazioni spaziali nella composizione e proprietà elettriche dei materiali OPV è di fondamentale importanza per lo spostamento in avanti della tecnologia fotovoltaica. 1,2 In questo lavoro, si descrive un protocollo per la misurazione quantitativa di proprietà elettriche e meccaniche dei materiali OPV con sub -100 nm risoluzione. Attualmente, le proprietà dei materiali misurazioni effettuate utilizzando disponibili in commercio a base di tecniche di AFM (PeakForce, AFM conduttivo) generalmente forniscono solo informazioni di tipo qualitativo. I valori di resistenza e modulo di Young misurato con il nostro metodo sul prototipo ITO / PEDOT: PSS/P3HT: PC 61 sistema BM corrispondono bene con i dati della letteratura. Il P3HT: PC 61 miscela BM separa sul PC 61 BM-ricchi e P3HT ricco di domains. Proprietà meccaniche del PC 61 domini ricchi e BM-P3HT-ricchi sono diversi, che consente di attribuzione dominio sulla superficie della pellicola. Soprattutto, combinando i dati meccanici ed elettrici consente per la correlazione della struttura dei domini sulla superficie del film con proprietà elettriche variazione misurata attraverso lo spessore del film.

Introduzione

Innovazioni più recenti in termini di efficienza di conversione di potenza (PCE) di fotovoltaico organico (OPV) cellule (spingendo il 10% a livello di cella) 3 di concerto con il rispetto ai processi di produzione ad alto rendimento e basso costo 4 hanno portato i riflettori sulla tecnologia OPV come possibile soluzione per la sfida di fabbricazione economica di celle solari di grande superficie. Materiali OPV sono intrinsecamente disomogenei su scala nanometrica. Nanoscale disomogeneità dei materiali OPV e le prestazioni dei dispositivi fotovoltaici sono intimamente connessi. Pertanto, la comprensione disomogeneità nella composizione e proprietà elettriche dei materiali OPV è di fondamentale importanza per lo spostamento in avanti della tecnologia OPV. Microscopia a forza atomica (AFM) è stato sviluppato come strumento per misure ad alta risoluzione della topografia di superficie dal 1986. 5 Al giorno d'oggi, le tecniche per le proprietà dei materiali (modulo di Young, 6-10 funzione di lavoro, 11 condottamisure ivity, 12 elettromeccanica, 13-15 ecc) stanno attirando una crescente attenzione. Nel caso di materiali OPV, la correlazione di composizione della fase locale e le proprietà elettriche promettente per rivelare una migliore comprensione del funzionamento interno delle celle solari organiche. 1, 16-17 AFM tecniche basate sono in grado di ad alta risoluzione fase di attribuzione 8 e come proprietà elettriche di mappatura in materiali polimerici. Pertanto, in linea di principio, la correlazione di fase composizione polimerica (attraverso misurazioni meccaniche) 18 e proprietà elettriche è possibile utilizzando tecniche basate AFM. Molte tecniche basate AFM per misure di proprietà meccaniche ed elettriche dei materiali usare l'assunzione di area costante di contatto tra la sonda AFM e la superficie. Questa assunzione spesso non riesce, che risulta in forte correlazione tra topografia superficiale e le proprietà meccaniche / elettriche. Recentemente, una nuova tecnica basata AFM perhigh-throughput misure di proprietà meccaniche (PeakForce) 19 è stato introdotto. TONNO PeakForce (variante del metodo PeakForce) fornisce una piattaforma per misure simultanee di proprietà meccaniche ed elettriche del campione. Tuttavia, il metodo di TONNO PeakForce produce mappe di proprietà meccaniche ed elettriche, che di solito sono fortemente correlati a causa della variabilità dispersi di contatto durante le misurazioni. In questo articolo presentiamo un protocollo sperimentale per la rimozione correlazioni associati con raggio variabile contatto mantenendo misurazioni accurate delle proprietà meccaniche ed elettriche mediante AFM. Attuazione dei risultati del protocollo di misure quantitative di resistenza dei materiali "e modulo di Young.

Protocollo

1. Acquisizione del segnale

  1. Installare campione (cella solare polimerica senza catodo (ITO / PEDOT: PSS/P3HT: PC 61 BM)) in uno spot AFM Multimode (Veeco, Santa Barbara, CA) equipaggiato con Nanoscope-V controller.
  2. Installare AFM conduttivo sonda in Multimode supporto sonda AFM.
  3. Creare il collegamento elettrico tra la sonda AFM, campione e sorgente di tensione.
  4. Percorso di uscita amplificatore di corrente (segnale di corrente), Multimode AFM flessione uscita (forza del segnale), Multimode AFM di campionamento di uscita altezza (segnale di distanza) in una scheda di acquisizione digitale (NI-DAQ PCI-6115). Il guadagno su Femto DLPCA-200 amplificatore di corrente è di 1 nA / V a 50 kHz di banda.
  5. Applicare polarizzazione 6V tra AFM sonda e l'elettrodo ITO.
  6. Eseguire Multimode AFM in modalità PeakForceTM raccogliendo segnale topografia: picco set point forza di 30 nN, una ampiezza di oscillazione del supporto 300 nm, una frequenza di oscillazione di supporto 2 kHz, una velocità di scansione di 1 Hz, e una risoluil di 512 x 512 pixel.
  7. Raccogliere i segnali di cui alla sezione D con LabView / MATLAB controllo in concomitanza con l'acquisizione del segnale di topografia (e passo).

2. Analisi dei dati Fase 1: Generazione di Pull-off Forza, rigidezza di contatto, e mappe attuali

  1. Leggi cronodatati segnali di corrente, di forza e la distanza in MATLAB.
  2. Crea 2.000 forza - distanza, e la forza - curve di corrente per la prima linea di scansione. Numero di curve è una funzione della frequenza di oscillazione di supporto e velocità di scansione.
  3. Da ogni forza - curva di distanza, stabilire contatti rigidità e pull-off-forza durante l'estrazione della sonda AFM (Figura 1).
  4. Da ogni forza - curva di corrente, determinare la corrente media mentre la sonda AFM è a contatto con la superficie durante il ritiro (Figura 1).
  5. Interpolare 2000 rigidezza di contatto equidistanti, pull-off-forza, e attuali punti di 512 punti da abbinare risoluzionezione del segnale topografia. La prima linea di scansione per la rigidezza di contatto, pull-off-forza, e mappe aggiornate è fatto.
  6. Crea contatto rigidità, pull-off-forza, e mappe aggiornate ripetendo i passaggi da B ad E 512 volte. Risultati sono mostrati in Figura 2.

3. Dati Fase Analisi 2: Eliminazione di Contact-zona artefatti

  1. Utilizzare l'equazione (1) e (2) per ottenere Modulo di Young (MATERIALI E) e la resistenza (ρ) del materiale in ogni punto della scansione: 20
    figure-protocol-2822
     con F = F ADH PULL - 8 nN (adesione a causa del menisco dell'acqua tra la AFM e la superficie), 20 rigidezza di contatto (k), e corrente (I) le mappe, la tensione sondaggio (V), spessore del film (L), e adesioneenergia (w = γ + γ SONDA MATERIA L - γ SONDA - MATERIALE, dove γ SONDA - energia superficiale del materiale della sonda, MATERIALE γ - energia superficiale del materiale del campione, e γ-PROBE MATERIALE - energia interfacciale di materiale campione e materiale sonda) . 20

Risultati

Modulo di Young e resistività mappe (Figura 3) presenti risultati tipici delle misurazioni sopra descritte. Proprietà meccaniche ed elettriche del ITO / PEDOT: PSS/P3HT: PC 61 pila BM stati misurati al negativo (-10 V) e positivo (+6 V) tensioni applicate alla sonda AFM. Artefatti di imaging, associati all'interazione elettrostatica tra la sonda AFM e il campione, sono un problema comune per le misure quantitative di proprietà funzionali utilizzando AFM. La somiglianza di grandezza mod...

Divulgazioni

Nessun conflitto di interessi dichiarati.

Riconoscimenti

MPN è grato al Fellowship Program del direttore di un sostegno finanziario. MPN vuole ringraziare Yu-Chih Tseng di aiuto per lo sviluppo del protocollo per l'elaborazione delle celle solari. Questo lavoro è stato svolto presso il Centro di materiali su nanoscala, un Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, Office of Science, Ufficio di Basic Funzione utente energia Scienze nell'ambito del contratto n ° DE-AC02-06CH11357.

Materiali

NameCompanyCatalog NumberComments
Nome del reagente / materiale Azienda Numero di catalogo Commenti
Plextronics inchiostri Plexcore PV 1000
ITO-vetro rivestite substrati Delta Technologies, Inc 25 ohm / sq
30 MHz sintetizzato generatore di funzioni Stanfor Research Systems DS345
Amplificatore di corrente Femto DLPCA-200
Multimode AFM Veeco, Santa Barbara, CA dotato Nanoscope-V controllore
Scheda DAQ National Instruments NI PCI-6115-
Metallo Pt sonde RMNano 12Pt3008
MATLAB software Mathworks
LabView software National Instruments

Riferimenti

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