Summary
Organische fotovoltaïsche (OPV) materialen zijn inherent inhomogeen op de nanometer schaal. Nanoschaal inhomogeniteit van OPV materialen invloed op de prestaties van fotovoltaïsche apparaten. In dit artikel beschrijven we een protocol voor kwantitatieve metingen van elektrische en mechanische eigenschappen van OPV materialen met sub-100 nm resolutie.
Abstract
Organische fotovoltaïsche (OPV) materialen zijn inherent inhomogeen op de nanometer schaal. Nanoschaal inhomogeniteit van OPV materialen invloed op de prestaties van fotovoltaïsche apparaten. Dus, het begrijpen van de ruimtelijke variaties in samenstelling en elektrische eigenschappen van OPV materialen is van het grootste belang voor het verplaatsen van PV-technologie naar voren. 1,2 In dit artikel beschrijven we een protocol voor kwantitatieve metingen van elektrische en mechanische eigenschappen van OPV materialen met sub -100 nm resolutie. Op dit moment, de eigenschappen van materialen metingen uitgevoerd met behulp van in de handel verkrijgbare AFM-gebaseerde technieken (PeakForce, geleidende AFM) meestal slechts kwalitatieve informatie. De waarden voor de weerstand en Young's modulus gemeten met behulp van onze methode op de prototypische ITO / PEDOT: PSS/P3HT: PC 61 BM-systeem goed overeen met literatuurgegevens. De P3HT: PC 61 BM mix scheidt op PC 61 BM-rijke en P3HT-rijke Domains. Mechanische eigenschappen van PC 61 BM-rijke en P3HT-rijke domeinen verschillend zijn, waardoor voor toerekening domein op het oppervlak van de film. Belangrijker combineren van mechanische en elektrische data maakt correlatie van de domeinstructuur op het oppervlak van de film met elektrische eigenschappen variatie gemeten door de dikte van de film.
Introduction
Recente doorbraken in de macht omzettingsrendement (PCE) van organische fotovoltaïsche (OPV) cellen (duwen 10% op celniveau) 3 in overleg met de naleving van high-throughput en low-cost productie processen 4 hebben geleid tot een schijnwerper op OPV-technologie als een mogelijke oplossing voor het probleem van goedkope productie van grote oppervlakte zonnecellen. OPV materialen zijn inherent inhomogeen op de nanometer schaal. Nanoschaal inhomogeniteit van OPV materialen en prestaties van fotovoltaïsche apparaten zijn nauw met elkaar verbonden. Zo begrip inhomogeniteit in samenstelling en elektrische eigenschappen van OPV materialen is van het grootste belang voor het verplaatsen van OPV-technologie naar voren. Atomic force microscopie (AFM) is ontwikkeld als een instrument voor hoge resolutie metingen van oppervlakte topografie sinds 1986. 5 Vandaag de dag, technieken voor de eigenschappen van materialen (Young's modulus, 6-10 werkfunctie, 11 gedragivity, 12 elektromechanica, 13-15 enz.) metingen worden steeds meer aandacht. In het geval van OPV materialen, correlatie van de lokale fase samenstelling en elektrische eigenschappen houdt belofte voor het openbaren van een beter begrip van de innerlijke werking van organische zonnecellen. 1, 16-17 AFM-gebaseerde technieken zijn in staat hoge resolutie fase attributie 8 als ook als elektrische eigenschappen in kaart te brengen in polymere materialen. Dus in principe correlatie polymeer fasesamenstelling (door mechanische metingen) 18 en elektrische eigenschappen kan met AFM-gebaseerde technieken. Veel AFM-gebaseerde technieken voor metingen van mechanische en elektrische eigenschappen van materialen de veronderstelling van constante gebied van contact tussen de AFM probe en het oppervlak. Deze veronderstelling vaak mislukt, waardoor een sterke correlatie tussen oppervlaktetopografie en mechanische / elektrische eigenschappen. Onlangs is een nieuw AFM-gebaseerde techniek voorhigh-throughput metingen van mechanische eigenschappen (PeakForce) 19 geïntroduceerd. PeakForce TONIJN (variatie van de PeakForce methode) biedt een platform voor gelijktijdige metingen van mechanische en elektrische eigenschappen van het monster. Echter, de PeakForce TONIJN methode produceert mechanische en elektrische goederen kaarten, die meestal sterk gecorreleerd zijn vanwege vermist variabiliteit van contact tijdens de metingen. In dit artikel presenteren we een experimenteel protocol voor het verwijderen van correlaties geassocieerd met verschillende contact straal met behoud van nauwkeurige metingen van de mechanische en elektrische eigenschappen met behulp van AFM. De uitvoering van het protocol resulteert in kwantitatieve metingen van de materialen "verzet en Young's modulus.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Signaal Overname
- Installeer monster (polymere zonnecel zonder kathode (ITO / PEDOT: PSS/P3HT: PC 61 BM)) in een commercieel Multimode AFM (Veeco, Santa Barbara, CA), uitgerust met NanoScope-V-controller.
- Installeer geleidende AFM sonde in Multimode AFM sonde houder.
- Maak elektrische verbinding tussen de AFM probe, monster en spanningsbron.
- Route huidige versterkeruitgang (stroomsignaal), Multimode AFM doorbuiging uitgang (kracht-signaal), Multimode AFM monster hoogte uitgang (afstand-signaal) in een digitaal acquisitie kaart (NI-PCI-6115 DAQ). De winst op Femto DLPCA-200 huidige versterker is 1 nA / V bij 50 kHz bandbreedte.
- Breng 6V vooroordelen tussen AFM sonde en ITO-elektrode.
- Run Multimode AFM in PeakForceTM modus verzamelen topografie signaal: piekkracht setpoint van 30 nN, een steun oscillatie amplitude van 300 nm, een steun oscillatie frequentie van 2 kHz, een scansnelheid van 1 Hz en een resolutiop van 512 bij 512 pixels.
- Verzamel signalen weergegeven in rubriek d door LabView / MATLAB controle gelijktijdig met de overname van topografie signaal (stap e).
2. Data-analyse Stap 1: opstelling van Pull-off Force, Contact Stijfheid, en Current Kaarten
- Lees tijdstempel stroom, kracht en de afstand signalen in MATLAB.
- Maak 2000 van kracht - afstand en kracht - de huidige curves voor de eerste scan lijn. Aantal curven is een functie van ondersteuning oscillatiefrequentie en scansnelheid.
- Van elke kracht - afstand ijkcurve wordt contact stijfheid en pull-off-kracht tijdens het terugtrekken van de AFM sonde (Figuur 1).
- Van elke kracht - huidige ijkcurve wordt de gemiddelde stroom terwijl de AFM sonde in contact met het oppervlak in te trekken (figuur 1).
- Interpoleer 2.000 gelijke afstand van elkaar contact stijfheid, pull-off-kracht, en de huidige punten door 512 punten te resolutie overeenkomttie van topografie signaal. De eerste scan lijn voor contact stijfheid, pull-off-kracht, en de huidige kaarten wordt gedaan.
- Maak contact met stijfheid, pull-off-kracht, en de huidige kaarten Herhaal stap b tot en met e 512 keer. Resultaten worden getoond in figuur 2.
3. Data-analyse Stap 2: Afschaffing van Contact-gebied Artifacts
- Gebruik vergelijking (1) en (2) modulus (E materiaal) en weerstand (ρ) van het materiaal op elk punt van de scan te verkrijgen: 20
met F ADH = F PULL - 8 nN (hechting als gevolg van water meniscus tussen de AFM en het oppervlak), 20 contact stijfheid (k), en stroom (I) kaarten; indringende spanning (V), laagdikte (L), en adhesieenergie (w = γ PROBE + γ MATERIA L - γ PROBE - MATERIAAL, waar γ PROBE - oppervlakte-energie van de sonde materiaal, γ MATERIAAL - oppervlakte-energie van het monster materiaal, en γ PROBE-MATERIAAL - grensvlak energie van monstermateriaal en sonde materiaal) 20.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Young's modulus en weerstand kaarten (figuur 3) aanwezig typische resultaten van de hierboven beschreven metingen. Mechanische en elektrische eigenschappen van de ITO / PEDOT: PSS/P3HT: PC 61 BM stack gemeten bij negatief (-10 V) en positieve (+6 V) spanningen toegevoerd aan de AFM probe. Beeldvormingsartefacten geassocieerd met elektrostatische interactie tussen de AFM probe en het monster zijn een gemeenschappelijk probleem voor kwantitatieve metingen van functionele eigenschappen met AFM. De gelijkenis van Young's moduli magnitude gemeten bij verschillende spanningen toont robuustheid van de meting protocol beschreven met betrekking tot elektrostatische artefacten. Vaak variaties in chemische samenstelling in een materiaal zijn geassocieerd met de lokale wijzigingen in elasticiteitsmodulus. Het monster in deze studie is een zonnecel inrichting zonder de bovenste elektrode. De bovenste laag (P3HT: PC 61 BM) in de stapel de zonnecel actieve laag waar convion van licht in elektriciteit optreedt. Zonnecel prestaties sterk afhankelijk van de morfologie en chemische samenstelling van de actieve laag.
Contact stijfheid de huidige waarde gebruikt wordt in verband AFM (figuur 4) omwille van de variaties in contactgebied tussen de AFM probe en het oppervlak. Dergelijk verband compliceert vaak kwantitatieve bepaling van mechanische (modulus) en elektrische (weerstand) eigenschappen van het materiaal. Het protocol, hierboven gegeven, rekening met variaties in contact gebied door directe metingen van de kleefkracht tussen de AFM probe en het oppervlak, hetgeen op zijn beurt voor kwantitatieve metingen van Young's modulus en weerstand. PC 61 BM-rijke domeinen zijn stijver dan polymeer-rijke. Niet in aanmerking voor contactvlak variabiliteit leidt tot domeinregistratie verkeerde voorstelling van zaken. Bijvoorbeeld, stijve PC 61 BM-rijk domein is zichtbaar aan beide contact stijfheid en Young'smodulus lijn profielen (Figuur 4A), terwijl de andere PC 61 BM-rijke domein (figuur 4B) verschijnt alleen Young's modulus map.
De hierboven beschreven methode kunnen voor toekennen chemische samenstelling op het oppervlak van de P3HT: PC 61 BM laag. Twee soorten domeinen met verschillende elasticiteitsmoduli zijn duidelijk in Figuur 3 (A) en 3 (B). Kennis over de chemische samenstelling van de actieve laag en literatuurgegevens over de mechanische eigenschappen van P3HT eenentwintig-zesëntwintig en PC 61 BM 21 biedt toekenning van domeinen met modulus van Young rond 0,01 GPa als P3HT-rijken (verschijnen blauw op Figuur 3 (A) en ( B)) en domeinen met elasticiteitsmodulus circa 0,1 GPa als PC 61 BM-rijken (donker rood Figuur 3 (A) en (B)). Resistance maps 27 (figuur 3 (C) en (D) </ Strong>) informatie over de elektrische verbinding tussen het bovenvlak van de P3HT: PC 61 BM laag en de ITO-laag. In een operationele zonnecel stroom loopt van de bulk van de actieve laag naar stroomcollectoren (ITO en de electrode afgezet bovenop de P3HT: PC 61 BM laag, respectievelijk), dus weerstand kaarten zijn essentieel stukjes informatie die het mogelijk maken correlatie van chemische samenstelling en de prestaties van zonnecellen. Figuren 3 (C) en 3 (D) blijkt dat weerstand van P3HT-rijke en PC 61 BM-rijke domeinen is afhankelijk van de polariteit van de spanning op AFM probe. P3HT-rijke domeinen hebben een lagere weerstand bij positieve spanning en een hogere weerstand bij negatieve spanning ten opzichte van PC 61 BM-rijke domeinen. Mogelijke injectie van gaten uit de hoge werkfunctie Pt probe relatief hoge geleidbaarheid van P3HT gat 28 en gat geleidbaarheid van PEDOT: PSS verklaren lagere weerstand vande P3HT-rijke gebieden, evenals een hogere barrière voor elektroneninjectie en elektron eigenschappen afwijzing van PEDOT: PSS werden genoemd 27 als redenen voor hogere weerstand van de PC 61 BM-rijke domeinen in vergelijking met P3HT-rijken onder positieve voorspanning van de AFM sonde. Bij negatieve voorspanning moet weerstand van P3HT-rijke domeinen verhogen en weerstand van PC 61 BM domeinen moeten afnemen door een afname van de efficiëntie van gateninjectie PEDOT: PSS 29 (resulteert in afname van electron afstoting) en injectie van elektronen uit de negatief voorgespannen Pt sonde. Chemische toekenning van domeinen op basis van mechanische eigenschappen metingen is alleen geldig in de nabijheid van de lucht-P3HT: PC 61 BM-interface, terwijl de weerstand metingen geven informatie over de huidige paden door de dikte van de film. In dit verband mechanische en elektrische metingen gratis informatie over het monster. Variatie in weerstand within P3HT-rijke en PC 61 BM-rijke domeinen oppervlak onthult inhomogeniteit van het domein structuur in de actieve laag filmdikte.
Samenvattend beschreven wij een protocol voor kwantitatieve metingen van Young's modulus en resistiviteit van zachte materialen door compensatie contactgebied onzekerheid. Mechanische eigenschappen van PC 61 BM-rijke en P3HT-rijke domeinen verschillend zijn, waardoor voor toerekening domein op het oppervlak van de film. Combinatie van mechanische en elektrische data maakt correlatie van de domeinstructuur op het oppervlak van de film met elektrische eigenschappen variatie gemeten door de dikte van de film.
Figuur 1 Typische kracht -. Afstand (blauw) en stroom - afstand (rood) Curves gemaakt op ITO / PEDOT: PSS/P3HT: PC 61 BM met Pt-sonde.
Figuur 2 Ruimtelijk opgelost metingen van topografie (A), pull-off kracht (B), contact stijfheid (C), en geleidbaarheid bij -10 V (D) op een ITO / PEDOT:. PSS/P3HT: PCBM monster. Beeldformaat is 10 um x 10 um.
Figuur 3. Ruimtelijk opgeloste varianten van Young's Modulus (A, B) en weerstand (C, D) voor twee verschillende plaatsen op het oppervlak gemeten bij -10 V (A, C) en 6 V (B, D). Afbeeldingen (A) en (C) werden berekend uit de gegevens in
Figuur 4. Line profielen uit de aangegeven zones met zwarte stippellijnen op de figuren 2 en 3 A, 3C. Sterke correlatie tussen contact stijfheid en de huidige te wijten aan straal variabiliteit contact is duidelijk. Eliminatie van contact straal variaties onthult stijf PC 61 BM-rijke domeinen, die zijn slecht zichtbaar anders (B). Klik hier om een grotere afbeelding te bekijken .
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Geen belangenconflicten verklaard.
Acknowledgments
MPN is dankbaar Fellowship van de directeur Programma voor financiële steun. MPN wil Yu-Chih Tseng bedanken voor hulp bij de ontwikkeling van het protocol voor zonnecel verwerking. Dit werk werd uitgevoerd bij het Centrum voor Nanoscale Materials, een Amerikaanse ministerie van Energie, Office of Science, Bureau van Basic Energy Sciences Gebruiker Facility kader van contract nr. DE-AC02-06CH11357.
Materials
| Name | 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.
- 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.
- 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.
- 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. , In Press (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).
