Summary
유기 태양 광 (OPV) 재료는 나노 미터 스케일에서 본질적으로 inhomogeneous입니다. OPV 재료의 Nanoscale inhomogeneity는 태양 광 디바이스의 성능에 영향을 미칩니다. 이 논문에서, 우리는 하위-100 나노 미터 해상도 OPV 재료의 전기 및 기계적 성질의 양적 측정을위한 프로토콜을 설명합니다.
Abstract
유기 태양 광 (OPV) 재료는 나노 미터 스케일에서 본질적으로 inhomogeneous입니다. OPV 재료의 Nanoscale inhomogeneity는 태양 광 디바이스의 성능에 영향을 미칩니다. 따라서, 구성뿐만 아니라 OPV 재료의 전기적 특성의 공간적 변화에 대한 이해를하는 것이 앞으로 PV 기술을 이동 파라마운트 중요합니다.이 글에서 1,2가, 우리는 서브와 OPV 재료의 전기 및 기계적 성질의 양적 측정을위한 프로토콜을 설명 -100 nm의 해상도를 제공합니다. 현재, 재료 특성 측정은 일반적으로 만 질적 정보를 제공 상용 AFM 기반 기술 (PeakForce, 전도성 AFM)를 사용하여 수행했습니다. 저항뿐만 아니라 Young의 계수는 원형 ITO / PEDOT에 우리의 방법을 사용하여 측정의 값 : PSS/P3HT : PC 61 BM 시스템은 문학 데이터와 잘 일치합니다. P3HT는 : PC 61 BM의 조화는 BM-풍부하고 P3HT 풍부한 PC 61로 분리 domaiNS. PC 61 BM-풍부하고 P3HT 풍부한 도메인의 기계적 성질은 필름의 표면에 도메인 속성을 허용하는 다릅니다. 중요한 것은, 기계 및 전기 데이터를 결합하여 필름의 두께를 측정 전기적 특성 변화와 필름의 표면에 도메인 구조의 상관 관계 할 수 있습니다.
Introduction
유기 태양 광 전력 변환 효율의 최근 획기적인 (PCE) (OPV) 세포 (세포 수준에서 10 %를 밀어) 높은 처리량 및 낮은 비용으로 제조 공정 4 준수와 콘서트에서 3으로 OPV 기술에 스포트라이트를 가져왔다 대형 면적 태양 전지의 저렴한 제조 도전에 대해 가능한 솔루션입니다. OPV 자료 나노 미터 스케일에서 본질적으로 inhomogeneous입니다. OPV 자료와 태양 광 장치의 성능 Nanoscale inhomogeneity은 밀접한 연결되어 있습니다. 따라서, 구성뿐만 아니라 OPV 재료의 전기적 특성의 이해 inhomogeneity 앞으로 OPV 기술을 이동 파라마운트 중요합니다. 원자 힘 현미경 (AFM)은 1986 년부터 표면 지형의 고해상도 측정을위한 도구로 개발되었습니다. 현재 5, 재료 속성 (Young의 계수, 6-10 일 함수, 11 행위에 대해 기술ivity, 12 electromechanics, 13-15 등) 측정이 증가하고 관심을 받고있다. OPV 재료의 경우, 지역 위상 구성과 전기적 특성의 상관 관계가 유기 태양 전지의 내부 동작의 이해를 공개에 대한 약속을 보유하고 있습니다. 1 16-17 AFM 기반 기법 저작자 표시 팔뿐만 아니라 고해상도 단계의 가능하다 등의 고분자 재료에 매핑 전기적 특성. 따라서, 원칙적으로 폴리머 위상 성분 (기계적 측정을 통해) 18 및 전기 속성의 상관 관계는 AFM 기반의 기술을 사용하여 가능합니다. 재료의 기계적 전기적 특성 측정을위한 많은 AFM 기반 기술은 AFM 프로브와 표면 사이의 접촉의 일정한 지역의 가정을 사용합니다. 이러한 가정은 종종 표면 지형 및 기계적 / 전기적 특성 간의 강한 상관 관계에 결과를하는 실패합니다. 최근에, 새로운 AFM 기반 기술기계적 성질 (PeakForce) 19의 높은 처리량 측정이 도입되었습니다. PeakForce 참치는 (PeakForce 방법의 변화) 샘플의 기계적 전기적 특성의 동시 측정을위한 플랫폼을 제공합니다. 그러나, PeakForce 참치 방법은 일반적으로 강력하게 때문에 측정시 연락 걸렸다는 다양성의 상관 아르 기계 및 전기 재산지도를 생산하고 있습니다. 이 논문에서, 우리는 AFM을 사용하여 기계적 및 전기적 특성의 정확한 측정을 유지하면서 접촉 반경을 변화와 관련된 상관 관계를 제거하기위한 실험 프로토콜을 제시한다. 자료 '저항과 영의 계수의 정량적 측정에 프로토콜 결과의 구현입니다.
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Protocol
1. 신호 수집
- Nanoscope-V 컨트롤러가 장착 된 상용 멀티 모드 AFM (Veeco, 산타 바바라, CA)에 샘플을 (PC 61 BM) : PSS/P3HT 음극이없는 폴리머 태양 전지 (ITO / PEDOT)을 설치합니다.
- 멀티 AFM 프로브 홀더에 전도성 AFM 프로브를 설치합니다.
- AFM 프로브, 샘플 및 전압 소스 사이의 전기적 연결을 만듭니다.
- 루트 전류 증폭기 출력 (전류 신호), 다중 모드 AFM 편향 출력 (힘 신호), 디지털 수집 카드에 멀티 AFM 샘플 높이 출력 (거리 신호) (NI-PCI-6115 DAQ). 펨토의 이득 DLPCA-200 현재 앰프 50 kHz에서 대역폭 1 NA / V입니다.
- AFM 프로브 및 ITO 전극 사이에 6V 편견을 적용합니다.
- 지형 신호를 수집 PeakForceTM 모드에서 다중 모드 AFM을 실행합니다 : 30 NN, 300 nm의 지원 진동 진폭, 2 kHz에서의 지원 진동 주파수, 1 Hz의 스캔 속도, 그리고 resoluti의 최대 힘 세트 포인트512 픽셀 512의 있습니다.
- 동시에 지형 신호의 취득 (단계 전자)와 LabView / MATLAB 제어에 의해 섹션 D에 나와있는 신호를 수집합니다.
2. 데이터 분석 1 단계 : 끌어 오기 오프 포스의 생성, 연락처 강성, 그리고 현재지도
- MATLAB에 시간이 날인 된 전류, 힘과 거리 신호를 읽어 보시기 바랍니다.
- 거리, 힘 - - 첫 번째 스캔 라인에 대한 현재 곡선 2000 힘을 만듭니다. 곡선의 수 지원 진동 주파수와 스캔 율의 기능입니다.
- 각 힘에서 - 거리 곡선 결정 강성에 연락하여 AFM 프로브 (그림 1)의 철회 동안 오프 - 힘을 당긴다.
- 각 힘에서 - AFM 프로브는 (그림 1)을 철회하는 동안 표면과 접촉하는 동안 현재의 곡선, 평균 전류를 결정합니다.
- 보간 2,000 동등하게 이격 된 연락처 강성, 풀 - 오프 - 힘, 그리고 resolu 일치하는 512 점의 현재 포인트지형 신호의 기. 연락처 강성, 풀 - 오프 - 힘, 그리고 현재의지도에 대한 첫 번째 스캔 라인이 이루어집니다.
- 전자 512 번 단계 b를 반복하여 강성, 풀 - 오프 - 힘, 그리고 현재의지도에 문의 만듭니다. 결과는 그림 2에 표시됩니다.
3. 데이터 분석 2 단계 : 연락처 - 지역 아티팩트의 제거
- 방정식 (1)를 사용하여 (2) Young의 계수 (E 재료) 및 재료의 저항 (ρ) 스캔의 각 지점에서 얻을 수 : 20
사용 F ADH = F 당겨 - 8 NN (AFM과 표면 사이의 물이 초승달 모양으로 인해 접착력), 20 연락처 강성 (K) 및 전류 (I)지도, 프로빙 전압 (V), 필름 두께 (L) 등을 부착에너지 (W = γ 프로브 + γ 물질의 L - γ 프로브 - 재료, 어디서 γ 프로브 - 프로브 물질의 표면 에너지, γ 재료 - 표면 샘플 물질의 에너지, 그리고 γ 프로브 - 재료 - 샘플 자료와 프로브 물질의 계면 에너지) . 20
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Representative Results
측정의 영의 계수와 저항지도 (그림 3) 현재 전형적인 결과는 위에서 설명한. ITO / PEDOT의 기계 및 전기 속성 : PSS/P3HT : PC 61 BM 스택은 부정적인 (-10 V), 긍정적 (6 V) AFM 프로브에 적용 전압에서 측정되었다. AFM 탐침과 샘플 사이의 정전 상호 작용과 관련된 이미징 유물은 AFM을 사용하여 기능적 특성의 정량적 측정을위한 일반적인 문제입니다. 다른 전압에서 측정 영의 moduli의 크기의 유사성은 정전기 유물에 대해 위에서 설명한 측정 프로토콜의 견고을 보여줍니다. 종종 물질에서 화학적 구성의 변화는 영의 계수의 로컬 변경 사항과 연결되어 있습니다. 본 연구에 사용 된 샘플은 상단 전극이없는 태양 전지 장치입니다. 상단 레이어 (P3HT : PC 61 BM) 스택에서의 태양 전지 활성층입니다 convers전기로 빛의 이온이 발생합니다. 태양 전지 성능은 강력하게 활성화 된 레이어의 형태, 화학 조성에 따라 달라집니다.
강성과 전류 종종 때문에 AFM 프로브와 표면 사이의 접촉 면적의 변화를 (그림 4) 상관 아르 AFM을 사용하여 측정. 연락 이러한 상관 관계는 종종 기계의 정량 결정 (Young의 계수)와 물질의 전기 (저항) 속성을 복잡하게. 위에 명시된 프로토콜, 결과적으로 영의 계수와 저항의 정량적 측정을 위해 수있는 AFM 프로브와 표면 사이의 접착 힘의 직접 측정에 의한 접촉 면적의 변화를 차지하고 있습니다. PC 61 BM이 풍부한 도메인 폴리머 풍부한 사람들보다 엄격한 있습니다. 접촉 면적 변화에 대한 계정에 실패 도메인 허위 진술로 연결됩니다. 예를 들어, 결림 PC 61 BM이 풍부한 도메인 연락처 강성과 영의 모두에서 볼 수 있습니다계수의 라인 프로파일 (그림 4A), 다른 PC 61 BM이 풍부한 도메인 (그림 4B)가 만 Young의 계수지도에 나타납니다 동안.
PC 61 BM 층 : 위에서 설명한 방법은 P3HT의 표면에 화학 성분의 속성 할 수 있습니다. 다른 Young의 moduli과 도메인의 두 종류가 그림 3 (A) 및 3 (B)에 분명합니다. 활성 레이어와 P3HT 21-26와 PC 61 BM (21)의 기계적 특성에 대한 문헌 데이터의 화학 성분에 대한 지식은 (그림 3 (A)에 파란색으로 표시하고 (0.01 GPA와 같은 P3HT이 풍부한 사람 주변 Young의 계수와 도메인의 속성을 수 있습니다 B))와 0.1 주변 Young의 계수가있는 도메인 GPA PC 61 BM이 풍부한 사람 (그림 3 (A)에 어두운 빨간색 표시하고 (B)). 27 저항의지도 (그림 3 (C)와 (D) <로/ strong>)을 상단 P3HT의 표면 사이에 전기 연결에 대한 정보를 제공합니다 : PC 61 BM 층과 ITO 레이어를. 운영 태양 전지에서 현재 수집가 대한 활성화 된 레이어의 대량 (ITO 및 전극 P3HT의 상단에 입금 : PC 61 BM 층 각각)에서 현재의 여행은, 따라서, 저항지도 할 수 있도록 정보의 중요한 조각 화학 조성과 태양 전지의 성능의 상관 관계.도 3 (C) 및 3 (D) AFM 프로브에 적용 전압의 극성에 따라 P3HT-풍부하고 PC 61 BM 풍부한 도메인 변경의 저항을 보여줍니다. P3HT 풍부한 도메인 양의 전압에서 낮은 저항 및 PC 61 BM이 풍부한 도메인에 비해 부정적인 전압에서 높은 저항을 갖추고 있습니다. 높은 업무 기능 PT 프로브, P3HT 28 PEDOT의 홀 전도성의 상대적으로 높은 홀 전도성의 구멍 가능한 사출 : PSS는 낮은 저항을 설명P3HT이 풍부한 지역뿐만 아니라 PEDOT의 전자 주입 및 전자 거절 속성에 대한 높은 장벽 : PSS는 긍정적 편견에 따라 P3HT이 풍부한 사람에 비해 PC 61 BM이 풍부한 도메인의 높은 저항을 이유로 27 인용했다 AFM 프로브. 부정적인 편견에서 P3HT 풍부한 도메인의 저항은 증가해야하며 PC 61 BM 도메인의 저항 때문에 PEDOT의 홀 주입 효율의 감소를 감소해야합니다 : PSS 29 (전자 거절의 감소의 결과로)와 전자의 주입을 부정적인 편견에서 PT 프로브. 저항 측정 필름의 두께를 통해 현재의 경로에 대한 정보를 제공하면서, PC 61 BM 인터페이스 : 기계적 성질 측정에 기반 도메인의 화학 속성은 에어컨 P3HT의 인근에 유효합니다. 이런 점에서, 기계 및 전기 측정은 샘플에 대한 무료 정보를 제공합니다. 저항 부에 대안얇은 P3HT - 풍부하고 PC 61 BM이 풍부한 표면 도메인은 활성화 된 레이어 필름 두께에 걸쳐 도메인 구조의 inhomogeneity을 드러내고있다.
요약, 우리는 완화 접촉 면적 불확실성에 의한 부드러운 소재의 Young의 계수와 저항의 정량적 측정을위한 프로토콜을 설명했다. PC 61 BM-풍부하고 P3HT 풍부한 도메인의 기계적 성질은 필름의 표면에 도메인 속성을 허용하는 다릅니다. 기계 및 전기 데이터의 조합은 영화의 두께를 측정 전기적 특성 변화와 필름의 표면에 도메인 구조의 상관 관계 할 수 있습니다.
그림 1 일반적인 힘 -. 거리 (파란색)와 현재 - 거리 (빨간색ITO / PEDOT에서 촬영) 곡선 : PSS/P3HT : PT 프로브와 PC 61 BM.
그림 2 Spatially 해결 지형의 측정 (A), 풀 오프 힘 (B), 연락처 강성 (C) 및 -10에서 전도성 ITO / PEDOT에서 V (D) :. PSS/P3HT : PCBM 샘플. 이미지 크기는 10 μm × 10 μm이다.
그림 3. Spatially -10 V (A, C), 6 V (B, D)에서 측정 표면에 두 개의 서로 다른 위치에 대한 영의 계수 (A, B)와 저항 (C, D)의 변화를 해결. 이미지 (A)와이 (C)에 표시되는 데이터를 사용하여 계산 된
지역에서 그림 4. 라인 프로파일도 2 및도 3A, 3C에 검은 색 점선으로 표시. 연락처 강성 및 반경 변화에 문의 인해 현재 사이의 강한 상관 관계가 분명합니다. 연락처 반경 유사 제거합니다 (B). 그렇지 않으면 제대로 볼 수 있습니다 결림 PC 61 BM이 풍부한 도메인 보여 더 큰 그림을 보려면 여기를 클릭하십시오를 .
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Disclosures
관심 없음 충돌이 선언 없습니다.
Acknowledgments
MPN은 금융 지원에 대한 감독 십 프로그램에 감사드립니다. MPN은 태양 전지 처리를위한 프로토콜의 개발과 관련하여 도움이 유 친 Tseng 감사하려고합니다. 이 작품은 Nanoscale 재료 센터, 에너지의 미국학과, 과학의 사무실, 계약 번호 DE-AC02-06CH11357에 따라 기본 에너지 과학 사용자 시설의 사무실에서 수행되었다.
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 |
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