동시 수량 전도성과 AFM을 사용하여 유기 태양 광 재료의 기계적 성질 측정
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.
Protocol
Representative Results
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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 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).
