الكمية التوصيل المتزامن والخصائص الميكانيكية للمواد القياسات الضوئية العضوية باستخدام AFM
Summary
العضوية الضوئية (OPV) المواد غير متجانسة بطبيعتها على مقياس متناهي الصغر. التجانس المواد النانوية OPV يؤثر على أداء الأجهزة الضوئية. في هذه الورقة، ونحن تصف بروتوكول للقياسات الكمية من الخواص الكهربائية والميكانيكية لمواد OPV للقرار نانومتر الفرعية-100.
Abstract
العضوية الضوئية (OPV) المواد غير متجانسة بطبيعتها على مقياس متناهي الصغر. التجانس المواد النانوية OPV يؤثر على أداء الأجهزة الضوئية. وهكذا، فهم الاختلافات المكانية في تكوين وكذلك الخصائص الكهربائية للمواد OPV هو أمر بالغ الأهمية للمضي قدما PV التكنولوجيا، 1،2 في هذه الورقة، ونحن تصف بروتوكول للقياسات الكمية من الخواص الكهربائية والميكانيكية لمواد OPV مع الفرعية -100 نانومتر القرار. حاليا، يقوم خصائص القياسات باستخدام المواد المتاحة تجاريا AFM التقنيات المعتمدة على (PeakForce، AFM موصل) توفير المعلومات فقط عموما النوعية. قيم المقاومة وكذلك معامل يونغ تقاس باستخدام طريقتنا على تنميط ITO / PEDOT: PSS/P3HT: PC نظام BM 61 تتوافق بشكل جيد مع البيانات الأدب. وP3HT: مزيج PC BM 61 يفصل على 61 BM-PC الغنية والغنية P3HT domaiNS. الخواص الميكانيكية للالمجالات 61 BM-PC الغنية والغنية P3HT مختلفة، والذي يسمح لإعطاء المجال على سطح الفيلم. الأهم من ذلك، الجمع بين البيانات الميكانيكية والكهربائية يسمح لارتباط بنية المجال على سطح الفيلم مع اختلاف الخصائص الكهربائية من خلال قياس سمك الفيلم.
Introduction
جلبت اختراقات الأخيرة في كفاءة تحويل الطاقة (PCE) من الضوئية العضوية (OPV) الخلايا (دفع 10٪ على مستوى الخلية) 3 بالتنسيق مع الامتثال لعمليات التصنيع عالية الإنتاجية وانخفاض تكلفة-4 الضوء على التكنولوجيا باعتبارها OPV ممكن حل لهذا التحدي غير مكلفة لتصنيع واسعة المجال الخلايا الشمسية. مواد غير متجانسة بطبيعتها هي OPV على مقياس متناهي الصغر. ويرتبط ارتباطا وثيقا التجانس المواد النانوية OPV وأداء الأجهزة الضوئية. وهكذا، فهم التجانس في التركيب وكذلك الخصائص الكهربائية للمواد OPV هو أمر بالغ الأهمية للمضي قدما OPV التكنولوجيا. وقد وضعت قوة ذرية المجهر (AFM) كأداة لقياس عالية الدقة من تضاريس سطح منذ عام 1986 .. 5 في أيامنا هذه، وتقنيات لخصائص المواد (معامل يونغ، 6-10 عمل وظيفة، 11 السلوكivity، 12 الميكانيكية الكهربائية، 13-15 الخ) القياسات تجتذب اهتماما متزايدا. في حالة المواد OPV، والارتباط لتكوين المرحلة المحلية والخواص الكهربائية يبشر بالخير لفهم أفضل للكشف عن الأعمال الداخلية للخلايا الشمسية العضوية .. 1، 16-17 AFM التقنيات المعتمدة على قادرة على عالية الدقة مرحلة الإسناد 8 على النحو جيدا كما الكهربائية خصائص رسم الخرائط في المواد البوليمرية. وهكذا، من حيث المبدأ، والارتباط لتكوين البوليمر المرحلة (من خلال القياسات الميكانيكية) 18 والخواص الكهربائية من الممكن استخدام التقنيات المعتمدة على AFM. العديد من التقنيات المعتمدة على AFM لقياس الخواص الميكانيكية والكهربائية للمواد استخدام افتراض ثابت منطقة التماس بين لجنة التحقيق وAFM سطح. هذا الافتراض غالبا ما يفشل، والذي ينتج في ارتباط قوي بين تضاريس سطح والخواص الميكانيكية / الكهربائية. مؤخرا، AFM جديد يستند إلى تقنية لوقدم عالية الإنتاجية قياسات الخواص الميكانيكية (PeakForce) 19. PeakForce TUNA (اختلاف الأسلوب PeakForce) يوفر منبرا للقياسات متزامنة من الخواص الميكانيكية والكهربائية من العينة. ومع ذلك، فإن طريقة TUNA PeakForce تنتج خرائط الملكية الميكانيكية والكهربائية، والتي عادة ما ترتبط بقوة بسبب تقلب عداد المفقودين من خلال الاتصال القياسات. في هذه الورقة، نقدم بروتوكول التجريبية لإزالة الارتباطات المرتبطة بدرجات نصف قطرها اتصال مع الحفاظ على قياسات دقيقة للخصائص الميكانيكية والكهربائية باستخدام AFM. تنفيذ نتائج القياسات الكمية في بروتوكول المقاومة المواد 'ومعامل يونغ.
Protocol
Representative Results
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
MPN عن امتنانه لبرنامج زمالة المدير للحصول على الدعم المالي. MPN يريد أن أشكر يو تشيه تسينج للمساعدة في تطوير بروتوكول لمعالجة الخلايا الشمسية. تم تنفيذ هذا العمل في مركز للمواد النانومترية الحجم، وزارة الطاقة الأمريكية، مكتب العلوم ومكتب الطاقة الأساسية مرفق العضو علوم بموجب العقد رقم DE-AC02-06CH11357.
Materials
| Name of Reagent/Material | 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 |
References
- Chen, W., Nikiforov, M. P., Darling, S. B. Morphology characterization in organic and hybrid solar cells. Energy Environ. Sci. , (2012).
- Dupont, S. R., Oliver, M., Krebs, F. C., Dauskardt, R. H. Interlayer adhesion in roll-to-roll processed flexible inverted polymer solar cells. Sol. Energy. 97, 171-175 (2012).
- Green, M. A., Emery, K., Hishikawa, Y., Warta, W., Dunlop, E. D. Solar cell efficiency tables (version 39). Progress in Photovoltaics. 20 (1), 12-20 (2012).
- Krebs, F. C., Gevorgyan, S. A., Alstrup, J. A roll-to-roll process to flexible polymer solar cells: model studies, manufacture and operational stability studies. Journal of Materials Chemistry. 19 (30), 5442-5451 (2009).
- Binnig, G., Quate, C. F., Gerber, C. Atomic Force Microscope. Physical Review Letters. 56 (9), 930-933 (1986).
- Hurley, D. C., Kopycinska-Muller, M., Kos, A. B., Geiss, R. H. Nanoscale elastic-property measurements and mapping using atomic force acoustic microscopy methods. Measurement Science & Technology. 16 (11), 2167-2172 (2005).
- Jesse, S., Nikiforov, M. P., Germinario, L. T., Kalinin, S. V. Local thermomechanical characterization of phase transitions using band excitation atomic force acoustic microscopy with heated probe. Applied Physics Letters. 93 (7), (2008).
- Nikiforov, M. P., Gam, S., Jesse, S., Composto, R. J., Kalinin, S. V. Morphology Mapping of Phase-Separated Polymer Films Using Nanothermal Analysis. Macromolecules. 43 (16), 6724-6730 (2010).
- Nikiforov, M. P., Jesse, S., Morozovska, A. N., Eliseev, E. A., Germinario, L. T., Kalinin, S. V. Probing the temperature dependence of the mechanical properties of polymers at the nanoscale with band excitation thermal scanning probe microscopy. Nanotechnology. 20 (39), (2009).
- Rabe, U., Amelio, S., Kopycinska, M., Hirsekorn, S., Kempf, M., Goken, M., Arnold, W. Imaging and measurement of local mechanical material properties by atomic force acoustic microscopy. Surface and Interface Analysis. 33 (2), 65-70 (2002).
- Nikiforov, M. P., Zerweck, U., Milde, P., Loppacher, C., Park, T. -. H., Uyeda, H. T., Therien, M. J., Eng, L., Bonnell, D. The effect of molecular orientation on the potential of porphyrin-metal contacts. Nano Letters. 8 (1), 110-113 (2008).
- Nikiforov, M. N., Brukman, M. J., Bonnell, D. A. High-resolution characterization of defects in oxide thin films. Applied Physics Letters. 93 (18), (2008).
- Kalinin, S. V., Karapetian, E., Kachanov, M. Nanoelectromechanics of piezoresponse force microscopy. Physical Review B. 70 (18), (2004).
- Kolosov, O., Gruverman, A., Hatano, J., Takahashi, K., Tokumoto, H. Nanoscale Visualization and Control of Ferroelectric Domains by Atomic-Force Microscopy. Physical Review Letters. 74 (21), 4309-4312 (1995).
- Nikiforov, M. P., Thompson, G. L., Reukov, V. V., Jesse, S., Guo, S., Rodriguez, B. J., Seal, K., Vertegel, A. A., Kalinin, S. V. Double-Layer Mediated Electromechanical Response of Amyloid Fibrils in Liquid Environment. Acs Nano. 4 (2), 689-698 (2010).
- Botiz, I., Darling, S. B. Optoelectronics using block copolymers. Materials Today. 13 (5), 42-51 (2010).
- Brabec, C. J., Heeney, M., McCulloch, I., Nelson, J. Influence of blend microstructure on bulk heterojunction organic photovoltaic performance. Chemical Society Reviews. 40 (3), 1185-1199 (2011).
- Karagiannidis, P. G., Kassavetis, S., Pitsalidis, C., Logothetidis, S. Thermal annealing effect on the nanomechanical properties and structure of P3HT: PCBM thin films. Thin Solid Films. 519 (12), 4105-4109 (2011).
- Sweers, K., vander Werf, K., Bennink, M., Subramaniam, V. Nanomechanical properties of alpha-synuclein amyloid fibrils: a comparative study by nanoindentation, harmonic force microscopy, and Peakforce QNM. Nanoscale Research Letters. 6, (2011).
- Nikiforov, M. P., Darling, S. B. Improved conductive atomic force microscopy measurements on organic photovoltaic materials via mitigation of contact area uncertainty. Progress in Photovoltaics: Research and Applications. , (2012).
- Li, H. -. C., Rao, K. K., Jeng, J. -. Y., Hsiao, Y. -. J., Guo, T. -. F., Jeng, Y. -. R., Wen, T. -. C. Nano-scale mechanical properties of polymer/fullerene bulk hetero-junction films and their influence on photovoltaic cells. Solar Energy Materials and Solar Cells. 95 (11), 2976-2980 (2011).
- Mueller, C., Goffri, S., Breiby, D. W., Andreasen, J. W., Chanzy, H. D., Janssen, R. A. J., Nielsen, M. M., Radano, C. P., Sirringhaus, H., Smith, P., Stingelin-Stutzmann, N. Tough, semiconducting polyethylene-poly(3-hexylthiophene) diblock copolymers. Advanced Functional Materials. 17 (15), 2674-2679 (2007).
- Kuila, B. K., Nandi, A. K. Physical, mechanical, and conductivity properties of poly(3-hexylthiophene)-montmorillonite clay nanocomposites produced by the solvent casting method. Macromolecules. 37 (23), 8577-8584 (2004).
- O’Connor, B., Chan, E. P., Chan, C., Conrad, B. R., Richter, L. J., Kline, R. J., Heeney, M., McCulloch, I., Soles, C. L., DeLongchamp, D. M. Correlations between Mechanical and Electrical Properties of Polythiophenes. Acs Nano. 4 (12), 7538-7544 (2010).
- Tahk, D., Lee, H. H., Khang, D. -. Y. Elastic Moduli of Organic Electronic Materials by the Buckling Method. Macromolecules. 42 (18), 7079-7083 (2009).
- Kuila, B. K., Nandi, A. K. Structural hierarchy in melt-processed poly(3-hexyl thiophene)-montmorillonite clay nanocomposites: Novel physical, mechanical, optical, and conductivity properties. Journal of Physical Chemistry B. 110 (4), 1621-1631 (2006).
- Nikiforov, M. P., Darling, S. B. Improved conductive atomic force microscopy measurements on organic photovoltaic materials via mitigation of contact area uncertainty. Progress in Photovoltaics: Research and Applications. , (2012).
- Kim, J. Y., Frisbie, D. Correlation of Phase Behavior and Charge Transport in Conjugated Polymer/Fullerene Blends. Journal of Physical Chemistry C. 112 (45), 17726-17736 (2008).
- Bange, S., Kuksov, A., Neher, D., Vollmer, A., Koch, N., Ludemann, A., Heun, S. The role of poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulphonate) as a hole injection layer in a blue-emitting polymer light-emitting diode. Journal of Applied Physics. 104 (10), (2008).
