Samtidig Kvantitativ Konduktivitet og mekaniske egenskaper Målinger av organiske fotovoltaiske materialer ved hjelp AFM
Summary
Organiske photovoltaic (OPV) materialer er iboende inhomogene på nanometer skala. Nanoskala inhomogeneity av OPV materialer påvirker ytelsen av fotovoltaiske enheter. I denne artikkelen beskriver vi en protokoll for kvantitative målinger av elektriske og mekaniske egenskaper av OPV materialer med sub-100 nm oppløsning.
Abstract
Organiske photovoltaic (OPV) materialer er iboende inhomogene på nanometer skala. Nanoskala inhomogeneity av OPV materialer påvirker ytelsen av fotovoltaiske enheter. Dermed forståelse av romlige variasjoner i sammensetning samt elektriske egenskapene OPV materialer er av avgjørende betydning for å flytte PV-teknologi fremover. 1,2 I denne artikkelen beskriver vi en protokoll for kvantitative målinger av elektriske og mekaniske egenskaper av OPV materialer med sub -100 nm oppløsning. Foreløpig utført materialegenskaper målinger hjelp av kommersielt tilgjengelige AFM-baserte teknikker (PeakForce, ledende AFM) generelt gir bare kvalitativ informasjon. Verdiene for motstand samt Youngs modulus målt med vår metode på den prototypiske ITO / PEDOT: PSS/P3HT: PC 61 BM-systemet samsvarer godt med litteratur data. Den P3HT: PC 61 BM blanding skiller på PC 61 BM-rik og P3HT-rik domains. Mekaniske egenskaper av pc 61 BM-rike og P3HT-rike domener er forskjellige, noe som gjør det mulig for domenet navngivelse på overflaten av filmen. Viktigere, kombinerer mekaniske og elektriske data muliggjør korrelasjon av domenet strukturen på overflaten av filmen med elektriske egenskaper variasjon målt gjennom tykkelsen av filmen.
Introduction
Nylige gjennombrudd i kraft konvertering effektivitet (PCE) av organisk photovoltaic (OPV) celler (skyve 10% på cellenivå) 3 på konsert med samsvar med høy gjennomstrømming og lave kostnader produksjonsprosesser 4 har brakt en spotlight på OPV teknologi som mulig løsning på utfordringen med billig produksjon av store-området solceller. OPV materialer er iboende inhomogene på nanometer skala. Nanoskala inhomogeneity av OPV materialer og utførelse av photovoltaic enheter er nært koblet til. Således er forståelse inhomogeneity i sammensetning samt elektriske egenskapene OPV materialer av overordnet betydning for flytting OPV teknologien framover. Atomic force mikroskopi (AFM) har blitt utviklet som et verktøy for høyoppløselige målinger av overflatetopografi siden 1986. 5 dag teknikker for materialegenskaper (Youngs modulus, 6-10 arbeid funksjon, 11 opptredenivity, 12 elektromekanikk, 13-15 osv.) målinger er å tiltrekke mer oppmerksomhet. I tilfelle av OPV materialer, har sammenheng med lokal fase sammensetning og elektriske egenskaper løftet for å avsløre bedre forståelse av den interne driften av organiske solceller. 1, 16-17 AFM-baserte teknikker er i stand til høy oppløsning fase henvisning 8 samt som elektriske egenskaper kartlegging i polymere materialer. Derfor, i prinsippet, er korrelasjon av polymer fase sammensetning (gjennom mekaniske målinger) 18 og elektriske egenskaper mulig ved hjelp AFM-baserte teknikker. Mange AFM-baserte teknikker for måling av mekaniske og elektriske egenskaper hos materialer bruker antagelsen av konstant område av kontakt mellom AFM sonde og overflaten. Denne antakelsen mislykkes ofte, noe som resulterer i sterk sammenheng mellom overflaten topografi og mekaniske / elektriske egenskaper. Nylig har en ny AFM-basert teknikk forhøy gjennomstrømming målinger av mekaniske egenskaper (PeakForce) 19 ble innført. PeakForce TUNA (variant av PeakForce metoden) gir en plattform for samtidige målinger av mekaniske og elektriske egenskaper til prøven. Men produserer PeakForce TUNA metoden mekaniske og elektriske eiendomskart, som vanligvis er sterkt korrelert på grunn av uforklart variasjon av kontakt under målingene. I denne artikkelen presenterer vi en eksperimentell protokoll for å fjerne korrelasjoner knyttet varierende kontakt radius samtidig opprettholde nøyaktige målinger av de mekaniske og elektriske egenskaper ved hjelp av AFM. Gjennomføring av protokollen resulterer i kvantitative målinger av materialers motstand og Youngs Modulus.
Protocol
Representative Results
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
MPN er takknemlig for direktørens Fellowship Program for økonomisk støtte. MPN ønsker å takke Yu-Chih Tseng for hjelp med utvikling av protokollen for solcelle behandling. Dette arbeidet ble utført ved Senter for nanoskala materialer, en US Department of Energy, Office of Science, Office of Basic Energy Sciences Bruker anlegg under kontrakt nummer 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).
