Condutividade quantitativa concorrente e Medidas mecânicas de materiais fotovoltaicos orgânicos utilizando AFM
Summary
Fotovoltaicos orgânicos (OPV) materiais são inerentemente heterogênea em escala nanométrica. Heterogeneidade de materiais em nanoescala OPV afeta o desempenho de dispositivos fotovoltaicos. Neste trabalho, nós descrevemos um protocolo de medidas quantitativas de características elétricas e mecânicas de materiais OPV com sub-resolução de 100 nm.
Abstract
Fotovoltaicos orgânicos (OPV) materiais são inerentemente heterogênea em escala nanométrica. Heterogeneidade de materiais em nanoescala OPV afeta o desempenho de dispositivos fotovoltaicos. Assim, a compreensão das variações espaciais da composição, bem como propriedades elétricas de materiais OPV é de suma importância para a movimentação tecnologia fotovoltaica para a frente. 1,2 Neste trabalho, nós descrevemos um protocolo de medidas quantitativas de características elétricas e mecânicas de materiais OPV com sub -100 resolução nm. Actualmente, as medições de propriedades dos materiais disponíveis comercialmente realizada utilizando técnicas baseadas em AFM (PeakForce, AFM condutivo) geralmente fornecem apenas informação qualitativa. Os valores de resistência, bem como o módulo de elasticidade medido utilizando o nosso método no protótipo ITO / PEDOT: PSS/P3HT: PC 61 sistema BM correspondem bem com os dados da literatura. O P3HT: PC 61 mistura BM separa no PC 61 BM-ricos e P3HT rica domains. As propriedades mecânicas do PC 61 domínios BM-ricos e P3HT-ricos são diferentes, o que permite a atribuição de domínio sobre a superfície da película. É importante notar que a combinação de dados mecânicos e eléctricos permite a correlação da estrutura do domínio da superfície do filme com variação propriedades eléctrica medida através da espessura da película.
Introduction
Recentes avanços na eficiência de conversão de energia (PCE) de fotovoltaico orgânico (OPV) células (empurrando a 10% no nível da célula) 3 em conjunto com a conformidade com processos de manufatura de alto rendimento e baixo custo 4 trouxe um holofote sobre tecnologia OPV como um solução possível para o desafio de fabricação barata de grande-área de células solares. Materiais OPV são inerentemente heterogênea em escala nanométrica. Heterogeneidade de materiais em nanoescala OPV e desempenho de dispositivos fotovoltaicos estão intimamente ligados. Assim, a falta de homogeneidade na composição compreensão, bem como propriedades elétricas de materiais OPV é de suma importância para a tecnologia de mudança OPV frente. Microscopia de força atômica (AFM) foi desenvolvido como uma ferramenta para medições de alta resolução de topografia da superfície desde 1986. 5 Hoje em dia, as técnicas para materiais de propriedades (módulo de Young, 6-10 função de trabalho, 11 condutamedições ivity, 12 electromecânica, 13-15, etc) estão atraindo cada vez mais atenção. No caso de materiais de OPV, a correlação da composição da fase local e propriedades eléctricas é promissor para revelar melhor compreensão do funcionamento interno de células solares orgânicas. 1, 16-17 AFM baseados em técnicas são capazes de alta resolução de fase atribuição 8, bem como propriedades elétricas de mapeamento em materiais poliméricos. Assim, em princípio, a correlação da composição da fase polímero (através de medições mecânicas) 18 e propriedades eléctricas é possível, utilizando técnicas baseadas em AFM. Muitos AFM baseados em técnicas de medições das propriedades mecânicas e eléctricas dos materiais usar o pressuposto de área constante de contacto entre a sonda de AFM e a superfície. Esta suposição frequentemente falha, o que resulta em uma forte correlação entre a topografia da superfície e as propriedades mecânicas / eléctricas. Recentemente, uma técnica de AFM nova base parahigh-throughput medições das propriedades mecânicas (PeakForce) 19 foi introduzido. PeakForce ATUM (variação do método PeakForce) fornece uma plataforma para medições simultâneas de propriedades mecânicas e elétricas da amostra. No entanto, o método ATUM PeakForce produz mapas de propriedades mecânicas e elétricas, que geralmente são fortemente correlacionados devido à variabilidade desaparecidos de contato durante as medições. Neste artigo, apresentamos um protocolo experimental para a remoção de correlacoes variando raio de contato, mantendo medições precisas das propriedades mecânicas e elétricas utilizando AFM. Aplicação dos resultados do protocolo de medições quantitativas de resistência e materiais "Módulo de Young.
Protocol
Representative Results
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
MPN é grato ao Programa de Bolsas do diretor de apoio financeiro. MPN quer agradecer Yu-Chih Tseng ajuda com o desenvolvimento do protocolo para o processamento de células solares. Este trabalho foi realizado no Centro de Materiais em nanoescala, o Departamento de Energia dos EUA, Escritório de Ciência, Instituto de Recurso de Usuário Básico Energy Sciences sob Contrato n º 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 |
Referências
- 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).
