Concurrent Kwantitatieve geleidbaarheid en mechanische eigenschappen metingen van organische fotovoltaïsche Materialen met AFM
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.
Protocol
Representative Results
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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 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).
