Conductividad concurrente cuantitativa y Medidas propiedades mecánicas de los materiales fotovoltaicos orgánicos utilizando AFM
Summary
Fotovoltaicos orgánicos (OPV) materiales son inherentemente no homogénea a escala nanométrica. Falta de homogeneidad de escala nanométrica de materiales OPV afecta al rendimiento de los dispositivos fotovoltaicos. En este trabajo se describe un protocolo para las mediciones cuantitativas de las propiedades eléctricas y mecánicas de los materiales de la OPV con resolución sub-100 nm.
Abstract
Fotovoltaicos orgánicos (OPV) materiales son inherentemente no homogénea a escala nanométrica. Falta de homogeneidad de escala nanométrica de materiales OPV afecta al rendimiento de los dispositivos fotovoltaicos. Por lo tanto, la comprensión de las variaciones espaciales en la composición, así como las propiedades eléctricas de los materiales de la OPV es de suma importancia para mover hacia delante la tecnología fotovoltaica. 1,2 En este artículo, se describe un protocolo para mediciones cuantitativas de las propiedades eléctricas y mecánicas de los materiales de la OPV con sub -100 nm resolución. En la actualidad, propiedades de los materiales mediciones realizadas utilizando comercialmente disponibles basados en técnicas de AFM (PeakForce, conductora AFM) por lo general sólo proporcionan información cualitativa. Los valores de la resistencia así como el módulo de Young medido utilizando nuestro método en el prototipo de ITO / PEDOT: PSS/P3HT: PC 61 del sistema BM corresponden bien con datos de la literatura. El P3HT: PC 61 BM mezcla se separa en el PC 61 y BM-rico-rico P3HT Domains. Las propiedades mecánicas de PC 61 dominios ricos y BM-P3HT ricos son diferentes, lo que permite la atribución de dominio en la superficie de la película. Es importante destacar que, combinando los datos mecánicos y eléctricos permite la correlación de la estructura del dominio en la superficie de la película con la variación de propiedades eléctricas medidas a través del espesor de la película.
Introduction
Los recientes avances en la eficiencia de conversión de energía (PCE) de la fotovoltaica orgánica (OPV) células (empujando un 10% a nivel celular) 3 de común acuerdo con el cumplimiento de los procesos de fabricación de alto rendimiento y bajo costo-4 han puesto de relieve en la tecnología de la VPO como posible solución para el desafío de la fabricación económica de gran superficie de células solares. Materiales OPV son inherentemente no homogénea a escala nanométrica. Falta de homogeneidad de los materiales a nanoescala OPV y el rendimiento de los dispositivos fotovoltaicos están íntimamente conectados. Por lo tanto, la falta de homogeneidad en la composición de la comprensión, así como las propiedades eléctricas de los materiales de la OPV es de suma importancia para mover hacia delante la tecnología OPV. Microscopía de fuerza atómica (AFM) se ha desarrollado como una herramienta para mediciones de alta resolución de la topografía de la superficie desde 1986. 5 En la actualidad, las técnicas de propiedades de los materiales (módulo de Young, 6-10 función de trabajo, 11 conductamediciones ividad, 12 electromecánica, 13-15, etc) están atrayendo cada vez más atención. En el caso de materiales de la OPV, la correlación de la composición de fase local y propiedades eléctricas es una promesa para revelar una mejor comprensión de los mecanismos internos de las células solares orgánicas. 1, 16-17 AFM basados en técnicas son capaces de alta resolución de fase de atribución 8, así como las propiedades eléctricas de cartografía en materiales poliméricos. Así, en principio, la correlación de la composición de fase de polímero (a través de mediciones mecánicas) 18 y las propiedades eléctricas es posible utilizando técnicas basadas en AFM. Muchos AFM basados en técnicas para mediciones de las propiedades mecánicas y eléctricas de los materiales de utilizar el supuesto de área constante de contacto entre la sonda AFM y la superficie. Esta suposición falla a menudo, lo que resulta en una fuerte correlación entre topografía de la superficie y las propiedades mecánicas / eléctricas. Recientemente, un nuevo AFM basado en la técnica parade alto rendimiento de las mediciones de propiedades mecánicas (PeakForce) 19 fue introducido. TUNA PeakForce (variación del método PeakForce) proporciona una plataforma para mediciones simultáneas de propiedades mecánicas y eléctricas de la muestra. Sin embargo, el método TUNA PeakForce produce mapas de propiedades mecánicas y eléctricas, que por lo general están fuertemente correlacionados debido a la variabilidad no contabilizada de contacto durante las mediciones. En este trabajo, presentamos un protocolo experimental para la eliminación de las correlaciones asociadas con diferentes radio de contacto, manteniendo las medidas exactas de las propiedades mecánicas y eléctricas usando AFM. Aplicación de los resultados del protocolo en las mediciones cuantitativas de la resistencia de los materiales 'y módulo de Young.
Protocol
Representative Results
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
MPN es agradecido al Programa de Becas del Director por el apoyo financiero. NMP quiere agradecer Yu-Chih Tseng para ayudar con el desarrollo del protocolo para el procesamiento de células solares. Este trabajo se realizó en el Centro de Materiales a Nanoescala, un Departamento de Energía de EE.UU., Oficina de Ciencia, Oficina del Fondo para el usuario Ciencias Básicas de Energía en virtud del Contrato N º 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 |
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