מוליכות כמותית במקביל ומדידת תכונות מכאנית של חומרים אורגניים באמצעות Photovoltaic AFM
Summary
פוטו חומרים אורגניים (OPV) הם מטבע הומוגניות בקנה המידה ננומטרי. אי הומגניות ננומטרי של חומרי OPV משפיעים על ביצועים של התקני פוטו. במאמר זה, אנו מתארים פרוטוקול למדידות כמותיות של תכונות חשמליות ומכאניות של חומרי OPV עם רזולוצית ננומטר תת-100.
Abstract
פוטו חומרים אורגניים (OPV) הם מטבע הומוגניות בקנה המידה ננומטרי. אי הומגניות ננומטרי של חומרי OPV משפיעים על ביצועים של התקני פוטו. לכן, הבנה של וריאציות מרחביים בהרכב, כמו גם תכונות חשמליות של חומרי OPV הוא בעלת חשיבות עליונה להעברת טכנולוגיית PV קדימה. 1,2 במאמר זה, אנו מתארים פרוטוקול למדידות כמותיות של תכונות חשמליות ומכאניות של חומרי OPV עם תת רזולוצית -100 ננומטר. נכון לעכשיו, חומרי מדידות נכסים שבוצעו תוך שימוש בטכניקות זמינות מסחרי AFM מבוססים (PeakForce, AFM מוליך) לספק מידע איכותי באופן כללי בלבד. את הערכים של התנגדות, כמו גם מודול של יאנג נמדד באמצעות השיטה שלנו על איטו אבטיפוס / PEDOT: PSS/P3HT: 61 מערכות מחשב BM מתאימים היטב עם נתונים בספרות. P3HT: מחשב תערובת 61 BM מפריד על גבי מחשב 61 BM-עשירה וP3HT עשיר domains. תכונות מכאניות של המחשב 61 תחומי BM-עשירים וP3HT עשירים שונות, המאפשרות לייחוס תחום על פני השטח של הסרט. חשוב מכך, שילוב של נתונים מכאניים וחשמליים מאפשר למתאם של מבנה התחום על פני השטח של סרט עם וריאצית תכונות חשמליות נמדדה באמצעות העובי של הסרט.
Introduction
פריצות הדרך אחרונות בתחום יעילות המרת כוח (PCE) של פוטו האורגני (OPV) תאים (דוחף 10% ברמת התא) 3 בתיאום עם עמידה בתהליכי ייצור תפוקה גבוהה ועלות נמוכה 4 הביאו אור זרקורים אל הטכנולוגיה כOPV פתרון אפשרי לאתגר של ייצור זול של תאים סולריים שטח גדול. חומרי OPV הם מטבע הומוגניות בקנה המידה ננומטרי. אי הומגניות ננומטרי של חומרים וביצועים של התקני פוטו OPV מחוברים בצורה אינטימית. לפיכך, אי הומגניות הבנה בהרכב, כמו גם תכונות חשמליות של חומרי OPV הם בעלת חשיבות עליונה להעברת טכנולוגית OPV קדימה. מיקרוסקופ כוח אטומי (AFM) פותח ככלי למדידות ברזולוציה הגבוהה של טופוגרפית משטח מאז 1986. 5 כיום, טכניקות לתכונות חומרים (מודולוס של יאנג, פונקצית עבודה 6-10, 11 ההתנהגותלקוחים, 12 אלקטרומכניקה, 13-15 וכו ') מדידות מושכות תשומת לב גובר. במקרה של חומרי OPV, מתאם של רכב שלב מקומי ותכונות חשמליות טומן בחובו הבטחה לגילוי הבנה טובה יותר של הפעולה הפנימית של תאים סולאריים אורגניים. 1, 16-17 טכניקות AFM מבוססים מסוגלות לשלב ברזולוציה גבוהה, כמו גם ייחוס 8 כתכונות חשמליות מיפוי בחומרים פולימריים. לכן, באופן עקרוני, המתאם של הרכב פולימר שלב (באמצעות מדידות מכאניות) 18 ותכונות חשמליות אפשרי באמצעות טכניקות AFM מבוססים. טכניקות AFM מבוססים רבות על מדידות של תכונות מכאניות וחשמליות של חומרים להשתמש בהנחה של שטח מתמיד של קשר בין חללית AFM ופני השטח. הנחה זו לעתים קרובות נכשלת, שתוצאת המתאם חזק בין טופוגרפית משטח ותכונות מכאניות / חשמל. לאחרונה, AFM טכניקה חדשה, המבוסס עלמדידות תפוקה גבוהה של תכונות מכאניות (PeakForce) 19 הוצגו. טונת PeakForce (וריאציה של שיטת PeakForce) מספקת פלטפורמה למדידות מקבילות של תכונות מכאניות וחשמליות של המדגם. עם זאת, שיטת טונת PeakForce מייצרת מפות קניין מכאניות וחשמליות, אשר בדרך כלל מתואמות חזק בגלל שונות בלתי מוסברות של מגע במהלך מדידות. במאמר זה, אנו מציגים פרוטוקול ניסוי, להסרת מתאמים שונים הקשורים לרדיוס מגע תוך שמירה על מדידות מדויקות של התכונות המכאניות וחשמליות באמצעות AFM. יישום תוצאות הפרוטוקול במדידות כמותיות של התנגדות "חומרים ומודולוס של יאנג.
Protocol
Representative Results
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
MPN מודה לתכנית המלגות של המנהל לתמיכה כספית. MPN רוצה להודות ליו צ'י טסנג לעזרה בפיתוח הפרוטוקול לעיבוד תאים סולריים. עבודה זו בוצעה במרכז לחומרים ננומטריים, משרד אנרגיה אמריקאי, משרד המדע, המשרד למתקן אנרגיה בסיסית מדעי משתמש תחת חוזה המס 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).
