Параллельно Количественные проводимости и механических измерений свойств органических фотогальванических материалов с помощью АСМ
Summary
Органических фотогальванических (ОПВ) Материалы по сути своей неоднородной в нанометровом масштабе. Наноразмерных неоднородности материалов ОПВ влияет на производительность фотоэлектрических устройств. В этой статье мы опишем протокол для количественных измерений электрических и механических свойств материалов ОПВ с суб-100 нм разрешение.
Abstract
Органических фотогальванических (ОПВ) Материалы по сути своей неоднородной в нанометровом масштабе. Наноразмерных неоднородности материалов ОПВ влияет на производительность фотоэлектрических устройств. Таким образом, понимание пространственной вариации состава, а также электрических свойств материалов ОПВ имеет первостепенное значение для перемещения фотоэлектрической технологии вперед. 1,2 В данной статье мы опишем протокол для количественных измерений электрических и механических свойств материалов ОПВ с подпунктом 100 нм разрешение. В настоящее время материалы свойств измерений, выполненных с использованием коммерчески доступных AFM на основе методов (PeakForce, проводящих AFM), как правило предоставляем исключительно качественную информацию. Значения сопротивления, а также модуль Юнга измеряется с помощью нашего метода на прототип ITO / PEDOT: PSS/P3HT: PC 61 BM системы хорошо согласуются с литературными данными. P3HT: PC 61 BM смесь отделяется на PC 61 BM-богатых и P3HT богатых Domaiнс. Механические свойства PC 61 BM-богатых и P3HT богатых областей различны, что позволяет области атрибуции на поверхности пленки. Важно отметить, что сочетание механических и электрических данных позволяет корреляции доменной структуры на поверхности пленки с электрическим изменением свойств измеряемой по толщине пленки.
Introduction
Недавние прорывы в энергетическую эффективность преобразования (PCE) органических фотогальванических (ОПВ) клеток (10% нажатия на клеточном уровне) 3 в концерте с соблюдением высокой пропускной способностью и низкой стоимости производственных процессов 4 внесли внимание на технологию ОПВ возможное решение для проблемы недорогой производства больших площадей солнечных батарей. ОПВ материалы всегда имеют неоднородное в нанометровом масштабе. Наноразмерных неоднородности материалов ОПВ и производительности фотогальванических устройств тесно связаны. Таким образом, понимание неоднородности состава, а также электрических свойств материалов ОПВ имеет первостепенное значение для перемещения ОПВ технологии вперед. Атомно-силовая микроскопия (АСМ) была разработана как инструмент для высокого разрешения измерения топографии поверхности с 1986 года. 5 В настоящее время, методы свойств материалов (модуль Юнга, 6-10 работу выхода, 11 поведенияivity, 12 электромехаников, 13-15 и т.д.) измерения привлекает все большее внимание. В случае материалов, ОПВ, соотношение местных фазовый состав и электрические свойства перспективен для выявления лучшего понимания внутренней работы органических солнечных элементов. 1, 16-17 АСМ-методы на основе способны с высокой разрешающей фазы присвоении 8, а как электрические свойства отображения в полимерные материалы. Таким образом, в принципе, соотношение полимера фазового состава (через механических измерений) 18 и электрические свойства можно с помощью АСМ на основе методов. Многие AFM на основе техники измерения механических и электрических свойств материалов используют предположение о постоянном площадь контакта между зондом АСМ с поверхностью. Это предположение часто выходит из строя, что приводит к сильной корреляции между топографией поверхности и механических / электрических свойств. В последнее время новые AFM на основе методикивысокой пропускной способностью измерения механических свойств (PeakForce) 19 был введен. PeakForce тунца (вариация метода PeakForce) предоставляет платформу для одновременного измерения механических и электрических свойств образца. Тем не менее, метод PeakForce TUNA производит механические и электрические свойства карты, которая обычно сильно коррелируют из-за неучтенных изменчивости контакт во время измерений. В этой статье мы представляем экспериментальный протокол для удаления корреляций, связанных с различными контакте радиусом, сохраняя при этом точные измерения механических и электрических свойств с помощью АСМ. Реализация протокола результатов в количественном измерении материалов сопротивление и модуль Юнга.
Protocol
Representative Results
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
MPN благодарен Fellowship Program директора по финансовой поддержке. MPN хочет поблагодарить Ю-Чи Цзэн за помощь в разработке протокола для солнечных обработки клеток. Эта работа была выполнена в Центре Материалы нано-, Министерство энергетики США, Управление по науке, Управления основной энергии наук Пользователь фонда по договору № 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).
