Concurrent Quantitative Leitfähigkeit und mechanische Eigenschaften Measurements of Organic Photovoltaic Materials mittels AFM
Summary
Organische Photovoltaik (OPV) Materialien sind von Natur aus inhomogenen auf der Nanometerskala. Nanoscale Inhomogenität der OPV-Materialien beeinflusst die Leistung von Photovoltaik-Geräte. In diesem Papier beschreiben wir ein Protokoll für quantitative Messungen der elektrischen und mechanischen Eigenschaften der OPV Materialien mit sub-100 nm Auflösung.
Abstract
Organische Photovoltaik (OPV) Materialien sind von Natur aus inhomogenen auf der Nanometerskala. Nanoscale Inhomogenität der OPV-Materialien beeinflusst die Leistung von Photovoltaik-Geräte. So, das Verständnis der räumlichen Variationen in der Zusammensetzung als auch elektrischen Eigenschaften der OPV-Materialien ist von größter Bedeutung für die Bewegung PV-Technologie voran. 1,2 In diesem Papier beschreiben wir ein Protokoll für quantitative Messungen der elektrischen und mechanischen Eigenschaften der OPV Materialien mit sub -100 nm Auflösung. Derzeit durchgeführt Materialeigenschaften Messungen mit handelsüblichen AFM-Techniken (PeakForce, leitenden AFM) in der Regel lediglich qualitative Informationen. Die Werte für den Widerstand als auch Elastizitätsmodul gemessen mit unserer Methode auf der prototypischen ITO / PEDOT: PSS/P3HT: PC 61 BM-System gut mit Daten aus der Literatur. Die P3HT: PC 61 BM Mischung trennt sich auf dem PC 61 BM-reich und P3HT-reiche domains. Mechanische Eigenschaften von BM-PC 61 reichen und P3HT-reiche Domänen unterschiedlich sind, das es ermöglicht, honorarfrei Domäne auf der Oberfläche des Films. Wichtig ist, dass die Kombination von mechanischen und elektrischen Daten können zur Korrelation der Domäne Struktur auf der Oberfläche der Folie mit elektrischen Eigenschaften Schwankungen durch die Dicke des Films gemessen.
Introduction
Neueste Innovationen in Leistungswandlungseffizienz (PCE) von organischen Photovoltaik (OPV)-Zellen (stossend 10% auf Zellebene) 3 in Absprache mit der Einhaltung High-Throughput-und Low-Cost Fertigungsprozesse 4 haben ein Schlaglicht auf die OPV-Technologie gebracht, wie ein mögliche Lösung für die Herausforderung, kostengünstige Herstellung von großflächigen Solarzellen. OPV Materialien sind von Natur aus inhomogenen auf der Nanometerskala. Nanoscale Inhomogenität der OPV-Materialien und die Leistung von Photovoltaik-Geräte sind eng miteinander verbunden. Daher ist das Verständnis Inhomogenität in der Zusammensetzung als auch elektrischen Eigenschaften der OPV-Materialien von größter Bedeutung für die Bewegung OPV-Technologie voran. Atomic Force Microscopy (AFM) wurde als ein Werkzeug für hochauflösende Messungen der Oberflächentopographie seit 1986 entwickelt. 5 Heute, Techniken für Materialien Eigenschaften (Elastizitätsmodul, 6-10 Austrittsarbeit, 11 Verhaltenduktivität, 12 Elektromechanik, 13-15 etc.) Messungen gewinnt zunehmend an Aufmerksamkeit. Im Fall von OPV-Materialien hält Korrelation von lokalen Phase Zusammensetzung und elektrischen Eigenschaften Versprechen für die Entdeckung ein besseres Verständnis der inneren Abläufe von organischen Solarzellen. 1, 16-17 AFM-basierte Techniken in der Lage hochauflösende Phase Zurechnung 8 sowie Als elektrische Eigenschaften Abbilden in polymeren Stoffen. Somit ist prinzipiell Korrelation der Polymerphase Zusammensetzung (durch mechanische Messungen) 18 und elektrischen Eigenschaften möglich mittels AFM-basierte Techniken. Viele AFM-basierte Techniken zur Messung von mechanischen und elektrischen Eigenschaften der Materialien verwenden Annahme konstanter Fläche des Kontakts zwischen der AFM-Sonde und der Oberfläche. Diese Annahme scheitert oft, was zu starken Korrelation zwischen Oberflächentopographie und mechanische / elektrische Eigenschaften. Kürzlich wurde eine neue AFM-Technik zumHigh-Throughput-Messungen der mechanischen Eigenschaften (PeakForce) 19 eingeführt wurde. PeakForce TUNA (Variation des PeakForce Methode) bietet eine Plattform für die gleichzeitige Messung von mechanischen und elektrischen Eigenschaften der Probe. Jedoch erzeugt die PeakForce TUNA Verfahren mechanische und elektrische Eigenschaft Karten, die in der Regel wegen der stark nachgewiesenes Variabilität der Kontakt während Messungen korreliert. In diesem Beitrag stellen wir ein experimentelles Protokoll für das Entfernen Korrelationen mit unterschiedlichem Kontakt Radius unter Beibehaltung genaue Messungen der mechanischen und elektrischen Eigenschaften mittels AFM assoziiert. Umsetzung des Protokolls in quantitativen Messungen der Materialien "Widerstand und Elastizitätsmodul.
Protocol
Representative Results
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
MPN ist dankbar, des Direktors Fellowship Program für finanzielle Unterstützung. MPN will Yu-Chih Tseng für die Hilfe bei der Entwicklung des Protokolls für Solarzellenprozessierung danken. Diese Arbeit wurde am Center for Nanoscale Materials, ein US-Department of Energy, Office of Science, Office of Basic Energy Sciences User Facility unter Vertrag Nr. DE-AC02-06CH11357 durchgeführt.
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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