Samtidig Kvantitativ Konduktivitet och mekaniska egenskaper Mätningar av organiska solceller material med AFM
Summary
Organiska solceller (OPV) material är i sig inhomogena på nanometerskala. Nanoskala homogen OPV material påverkar prestanda solceller enheter. I detta dokument beskriver vi ett protokoll för kvantitativa mätningar av elektriska och mekaniska egenskaper hos OPV material med sub-100 nm upplösning.
Abstract
Organiska solceller (OPV) material är i sig inhomogena på nanometerskala. Nanoskala homogen OPV material påverkar prestanda solceller enheter. Således förståelse av rumsliga variationer i sammansättning samt elektriska egenskaper OPV material är av största vikt för att flytta PV tekniken framåt. 1,2 I detta dokument beskriver vi ett protokoll för kvantitativa mätningar av elektriska och mekaniska egenskaper hos OPV material med sub -100 nm upplösning. För närvarande, utfört materialegenskaper mätningar användning av kommersiellt tillgängliga AFM-baserade tekniker (PeakForce, ledande AFM) ger i allmänhet endast kvalitativ information. Värdena för motstånd samt Youngs modul mätt med vår metod på den prototypiska ITO / PEDOT: PSS/P3HT: PC 61 BM-systemet stämmer väl överens med litteraturdata. Den P3HT: PC 61 BM blandning separerar på PC 61 BM-rika och P3HT rik domains. Mekaniska egenskaper hos PC 61 BM-rika och P3HT-rika domäner är olika, vilket gör det möjligt att tillskriva domän på ytan av filmen. Viktigt är kombinerar mekaniska och elektriska data möjliggör korrelation av domänstruktur på ytan av filmen med elektriska egenskaper variationer mätt genom tjockleken av filmen.
Introduction
Nya genombrott vid makten verkningsgrad (PCE) av organisk solceller (OPV) celler (trycka 10% på cellnivå) 3 tillsammans med efterlevnaden av hög kapacitet och låg kostnad tillverkningsprocesser 4 har fört en spotlight på OPV teknik som en möjlig lösning för den utmaning billiga tillverkning av stora ytor solceller. OPV material är i sig inhomogena på nanometerskala. Nanoskala homogen OPV material och prestanda solceller enheter är intimt förbundna. Således är förståelse inhomogenitet i komposition samt elektriska egenskaper OPV material av största vikt för att flytta OPV-tekniken framåt. Atomkraftsmikroskopi (AFM) har utvecklats som ett verktyg för högupplösta mätningar av yttopografi sedan 1986. 5 dag teknik för materialegenskaper (Youngs modul, 6-10 arbete funktion, 11 uppträdandeivity, 12 elektromekanik, 13-15 mm) mätningar allt större uppmärksamhet. I fallet med OPV material har korrelation mellan lokala fas sammansättning och elektriska egenskaper löfte för att avslöja bättre förståelse för det inre arbetet i organiska solceller. 1, 16-17 AFM-baserade tekniker har förmåga högupplöst fas attribution 8 samt som elektriska egenskaper kartläggning i polymera material. Således, i princip, är korrelationen av polymerfas komposition (genom mekaniska mätningar) 18 och elektriska egenskaper möjlig med AFM-tekniker. Många AFM-baserade tekniker för mätning av mekaniska och elektriska egenskaper hos material använder antagandet om konstant area av kontakt mellan AFM sonden och ytan. Detta antagande misslyckas ofta, vilket resulterar i en stark korrelation mellan yttopografi och mekaniska / elektriska egenskaper. Nyligen har en ny AFM-baserad teknik förhög kapacitet mätningar av mekaniska egenskaper (PeakForce) 19 infördes. PeakForce TONFISK (variation av PeakForce metoden) ger en plattform för samtidiga mätningar av mekaniska och elektriska egenskaper hos provet. Men ger PeakForce TUNA metoden mekaniska och elektriska egendom kartor, som vanligtvis är starkt korrelerade eftersom oredovisat variationer i kontakt under mätningarna. I detta dokument presenterar vi ett experimentellt protokoll för att ta bort korrelationer samband med varierande kontakt radie samtidigt noggranna mätningar av mekaniska och elektriska egenskaper med hjälp av AFM. Genomförande av protokollet ger kvantitativa mätningar av material "motstånd och elasticitetsmodul.
Protocol
Representative Results
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
MPN är tacksam mot direktörens Fellowship Program för ekonomiskt stöd. MPN vill tacka Yu-Chih Tseng för hjälp med utveckling av protokollet för solceller bearbetning. Detta arbete utfördes vid Centrum för Nanoscale Materials, en US Department of Energy, Office of Science, Office of Basic Energy Sciences Användare anläggning under kontrakt nr 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).
