同時定量伝導率およびAFMを用いた有機太陽電池材料の機械的特性の測定

要約

有機太陽電池（OPV）材料は、ナノメートルスケールで本質的に不均一である。 OPVの材料のナノスケールの不均質性は、光電子デバイスのパフォーマンスに影響を与えます。本稿では、100nm以下の分解能でのOPV材料の電気的および機械的性質の定量的測定のためのプロトコルを記述します。

要約

有機太陽電池（OPV）材料は、ナノメートルスケールで本質的に不均一である。 OPVの材料のナノスケールの不均質性は、光電子デバイスのパフォーマンスに影響を与えます。したがって、組成の空間的変動だけでなく、OPVの材料の電気的特性の理解と、前方のPV技術を移動するための最重要課題である。本稿では^1,2、我々はサブでのOPV材料の電気的および機械的性質の定量的測定のためのプロトコルを記述する-100 nmの分解能。現時点では、材料特性の測定は、一般的に定性的な情報を提供する市販のAFMベースの技術（PeakForce、導電性AFM）を用いて行った。抵抗だけでなく、ヤング率が原型ITO / PEDOTに我々の方法を用いて測定値：PSS/P3HT：PC ₆₁ BMのシステムは、文献データとよく対応しています。 P3HT：PC ₆₁ BMのブレンドは_、61、BM-リッチとP3HT-リッチdomai PC上に分離NS。 PC ₆₁ BM -金持ちとP3HTリッチドメインの機械的性質は、膜の表面にドメインの帰属が可能になる、とは異なります。重要なのは、機械的および電気的データを組み合わせることで、フィルムの厚さを通して測定された電気特性のばらつきを持つ膜の表面にドメイン構造の相関を可能にします。

概要

高スループットの遵守と低コスト製造プロセス⁴と連携して有機太陽電池（OPV）セルの電力変換効率の最近のブレークスルー（PCE）（細胞レベルで10％を押す^）3としてOPVの技術にスポットライトを持ってきた大面積太陽電池の安価な製造への挑戦のために可能な解決策。 OPVの材料は、ナノメートルスケールで本質的に不均一である。 OPVの材料と光起電力デバイスの性能のナノスケールの不均質性は密接に接続されています。したがって、組成物中の不均一性と同様にOPVの材料の電気的特性を理解することが楽しみにOPVの技術を移動するための最重要課題である。原子間力顕微鏡（AFM）は、1986年以来表面地形の高分解能測定のためのツールとして開発されました。今日^5、材料特性（ヤング率^、6月10日仕事関数^、11の行動のためのテクニックivity、電気機械技術^12、13-15等）の測定値が増加し、注目を集めています。 OPVの材料の場合には、地元の相組成と電気特性との相関は、有機太陽電池の内部の仕組みの理解を明らかにするための可能性を秘めています^{。1、16-17、AFM}ベースの技術は、同様に高分解能の位相属性⁸が可能である等の高分子材料にマッピング電気的特性。従って、原理的には、ポリマー相組成（機械測定による^）18と電気的特性の相関は、AFMベースの技術を使用することで可能です。材料の機械的および電気的特性の測定のため、多くのAFMベースの技術は、AFM探針と表面間の接触面積の一定の仮定を使用しています。この仮定はしばしば表面トポグラフィーおよび電気的/機械的特性の間には強い相関関係、その結果、失敗します。のため最近では、新しいAFMベースの技術機械的性質^{（PeakForce）19}の高スループット測定が導入されました。 PeakForceマグロ（PeakForce法のバリエーション）は、サンプルの機械的および電気的特性の同時測定のためのプラットフォームを提供します。しかし、Pea​​kForceマグロメソッドは、通常、強くあるため測定中の接触の行方変動の相関関係にある機械的および電気的特性マップを生成します。本稿では、AFMを用いて機械的および電気的特性の正確な測定を維持しながら、接触半径を変化させることに関連付けられている相関を除去するための実験プロトコルを提示。材料の抵抗及びヤング率の定量的測定におけるプロトコル結果の実装。

プロトコル

1。信号収集

1. ナノスコープ-Vのコントローラを備えた市販のマルチモードAFM（Veeco社、サンタバーバラ、カリフォルニア州）に試料を（PC ₆₁ BM）：PSS/P3HT陰極なしポリマー太陽電池（ITO / PEDOT）をインストールします。
2. マルチモードAFMプローブホルダーに導電性AFM探針を取り付けます。
3. AFM探針、試料と電圧源との間の電気的な接続を作成します。
4. ルート電流アンプの出力（電流信号）、マルチモードのAFM偏向出力（力信号）、デジタル·アクイジション·カードにマルチモードAFMの試料高出力（距離信号）（NI PCI-6115 DAQ）。フェムトDLPCA-200電流アンプのゲインは、50 kHzの帯域幅で1 NA / Vです。
5. AFMプローブとITO電極との間に6Vのバイアスを印加する。
6. トポグラフィ信号を収集PeakForceTMモードでマルチモードAFMを実行：30 NN、300nmのサポート発振振幅、2 kHzの支持発振周波数は1Hzのスキャン速度、およびresolutiのピーク力設定ポイント512ピクセル×512の上に。
7. 同時にトポグラフィ信号の取得（工程e）でLabVIEW / MATLABの制御により、セクションDに記載されている信号を収集します。

2。データ解析ステップ1：プルオフフォース、接触剛性、および現在のマップの生成

1. MATLABにタイムスタンプ付きの電流、力と距離信号を読み取る。
2. 距離、力 - - 最初の走査線の電流曲線2000力を作成します。曲線の数は、サポート発振周波数とスキャン速度の関数です。
3. 各勢力から-距離曲線、AFMプローブ（ 図1）の撤退中に剛性とプルオフ接触力を決定します。
4. 各勢力から- AFMプローブ（ 図1）は、撤退中に表面と接触している間に電流曲線、平均電流を決定します。
5. 補間する2000個の等間隔接触剛性、プルオフ力、分解能に一致するように512点で現在のポイントトポグラフィ信号のる。接触剛性、プルオフ力は、現在のマップの最初の走査線が行われます。
6. 電子512回通って手順bを繰り返して剛性、プルオフ力は、現在のマップを作成し連絡。結果を図2に示します。

3。データ解析手順2：非接触領域のアーチファクトの除去

1. 式を使用して、（1）と（2）スキャンの各ポイントで、材料のヤング率（E _材 ）と抵抗（ρ）を得るために^：20
   
   使用してF _ADH = F _PULL - 8 NN（AFMと表面の間に水のメニスカスに起因する接着^）、20接触剛性（k）と電流（I）のマップ、プロービング電圧（V）、膜厚（L）とを接着エネルギー（ ワット =γ _プローブ +γ _{マテリアの} L - γ _プローブ - _材料は、γ _プローブ -プローブ材料の表面エネルギーは、γ _材質 -表面の試料物質のエネルギー_{、γ、PROBE-材質} -試料物質とプローブ材料の界面エネルギー） ²⁰

結果

ヤング率と抵抗率マップ（ 図3）は、上記の測定値の存在する典型的な結果。 ITO / PEDOTの機械的および電気的特性：PSS/P3HT：PC ₆₁ BMのスタックが負（-10 V）と正（6 V）のAFMプローブに印加される電圧で測定した。 AFM探針と試料との間の静電相互作用に関連付けられている画像アーチファクトは、AFMを用いた機能的特性の定量的測定のための共通の問題です。異なる電圧で測...

資料

Name	Company	Catalog Number	Comments
試薬/材料の名称	会社	カタログ番号	注釈
Plextronicsインク	Plexcore	PV 1000年
ITO被覆ガラス基板	デルタ·テクノロジーズ株式会社		25オーム/□
30 MHzの合成されたファンクションジェネレータ	Stanfor研究システム	DS345
電流増幅器	フェムト	DLPCA-200
マルチモードAFM	Veeco社は、カリフォルニア州サンタバーバラ		ナノスコープ-Vのコントローラを装備
DAQカード	ナショナルインスツルメンツ	NI PCI-6115
金属のPtプローブ	RMNano	12Pt3008
MATLABソフトウェア	Mathworks社
LabVIEWソフトウェア	ナショナルインスツルメンツ