分析有机光致电压的材料和设备使用新的扫描探测技术由收容所研究

包括的事宜

摘要
简介
对 Nanoscale 形态学的分析
定期解决的静电力显微学 (trEFM)
trEFM 实验
光电导性的基本强制显微学 (pcAFM)
汇总和外型

摘要

有机太阳能电池拥有承诺作为经济手段收获太阳能由于生产他们的方便和处理。 然而，效率的这样有机光致电压的 (OPV)设备当前在对于普遍采用是必需的那下。 OPV 的效率与其 nanoscale 形态学密切被链接。 高分辨率计量学在新的有机半导体的发现和优化可能扮演一个关键角色在实验室里，以及协助解决 OPVs 的转移从这个实验室的与大量生产。 我们复核有助问题与扫描探测证明是有用的在 nanostructured 有机太阳能电池的研究的显微学技术的应用相关例如光电导性的基本强制显微学和定期解决的静电力显微学。 这些技术提供唯一答案到 OPV 设备基础非均匀性并且为知道形态学如何提供 nanoscale 基本类型直接地影响 OPV 运算。 终于，我们在扫描探测显微学讨论进一步改善的机会对 OPV 发展有用。 在此应用注解和想象讨论的所有评定执行与收容所研究 MFP-3D-BIO™基本强制显微镜。

简介

对 Nanoscale 形态学的分析

特别地使用扫描探测技术例如基本强制显微学和其多种扩展名，对此 nanoscale 形态学的分析要求高分辨率空间映射 (AFM)有效的层。 浏览的探测显微学是特别有用的由于这个能力对图象在处理域的 ~10-100nm 缩放比例的解决方法被观察在公用 OPV 材料。 使用 AFM，执行的 AFM，静电力显微学和浏览凯尔文探测显微学，几个组 (EFM)，例如，分析了 OPV 系统 (SKPM)。 光学差异例如浏览光学显微学 (NSOM) 的近域和挖洞基于发光学的 AFM 也用于探查 OPV 混合形态学。

我们在最近复核了对扫描探测显微学的清楚的使用有机电子领域并且识别对 OPV 运算是重要 nanoscale 物理的特定区域。 在此条款上，我们采取一个更加实用的轮并且讨论实验挑战，并且机会与是使用的帮助的二个不同 AFM 技术、光电导性的 AFM (pcAFM) 和定期解决的 EFM (trEFM) 相关知道形态学如何影响 OPV 性能。

trEFM 是在 OPV 层使用定期解决的评定分析在 photoinduced 充电生成、收藏和放电上的局部变化的一个没有接触的技术，而 pcAFM 是直接地评定 photocurrent 得到局部形态学和其关系有用的信息到局部 photoresponse 的联络模式方法。 图 1b 和 1c 这个手段一张简图在 trEFM 和 pcAFM 使用的显示。 在我们的实验室，我们实施了技术使用收容所使用一个自定义码套件 AFM 被耦合对 Nikon TE2000-U 被倒置的光学显微镜和被控制的研究的 MFP-3D-BIO 写在伊戈尔 (WaveMetrics， Inc.)，收容所研究的 AFMs 使用的科学软件环境。 在一块光学面包板被挂接适应外部光学 (托尔实验室) 和一个被动隔振阶段支持这个系统 (减 K 技术)。 (ND)中性密度滤光片允许我们调整在两个技术的照明强度。 整个系统在有铜滤网保护的和音响阻止的泡沫的一个胶合板配件箱内被安置。 为了保护可能地空敏感的范例免受光氧化，我们使用一个收容所研究被密封的可变的细胞。 最初设计为想象生物范例在液体下，这个设计允许敏感范例装载到在手套箱的细胞并且允许我们进行评定，当清除与干燥氮气时。 此途径在手套箱消除需要安装整个 AFM/optical 系统。

定期解决的静电力显微学 (trEFM)

在讨论 trEFM 特定前，我们简要首先将复核稳定 EFM。 可以在别处找到常规稳定 EFM 的详细描写。 EFM 是 AC 模式想象的表单。 当多数 AFM 用户熟悉利用这个技巧和这个范例之间的 van der Waals 交往对图象范例地势 AC 模式想象时的更加公用的表单 (即 “断断续续的联系模式 AFM ") EFM 利用这个情况悬臂的振荡运动对这个技巧和范例之间的更加远程的静电交往也是敏感的。 在一个公用 EFM 想象模式下，这些静电交往是通过评定他们的对悬臂式共鸣频率的作用监控的，当悬臂做振动某个距离 (~10nm) 时在范例表面上。 与表面的交往在此距离由局部静电力梯度控制，并且转移在悬臂式共鸣频率中与局部电容梯度和电位差是按比例这个技巧和这个范例之间。 频移 (f) 可以被写如下：

这里， C 是电容， z 是相对技巧高度， V_tip 是电压适用于这个技巧，并且 V_sample 是在这个范例的局部潜在。 在一个典型的稳定 EFM 实验，线路在 AC 模式下浏览记录范例地势; 这个技巧然后被上升边框形式距离 (例如 20nm) 到在短程 van der Waals 强制之外的范围，并且转移在悬臂的谐振频率中被评定，当电压是应用的在这个技巧和范例之间时。

当常规时 EFM 是有用的在各种各样的静态或准静态过程，参数例如表面潜在和电容梯度失败的描述特性在有机电子设备的关于薄膜太阳能电池的局部效率的直接情报。 使用 trEFM，要解决此限制，我们扩大 EFM 的功能使非定常现象的研究在子女士时间表。 trEFM，我们可以评定在静电力梯度的过渡过程特性。 特别地，在我们的当前实施，我们监控在可能起因于，例如， photogenerated 充电迅速累计在太阳能电池在照明之后的式 1，或者载流子快速诱捕和 detrapping 动能学的非定常频移在子女士时间表的。

trEFM 实验

作为时间功能，为了生成图象，我们搏动 LED在这个范例的每个位置然后记录发生的频移，造成剧情例如那在图 2b。 一个指数衰变功能然后适合对频移的朽烂，并且此衰减常数与 photocurrent 关连我们希望评定。 我们重复每象素的此进程能生成同时充电的费率和地势图象。 由于这个充电的进程是相对地快速的，一个 256 个 x 256 个解决方法 trEFM 图象需要大约二十分钟获取，与标准 SKPM 技术是可比较的。 这个能力记录与更加快速的时间分辨率的悬臂式行动，应该是可能的对 AFM 硬件的新一代，将允许使用更高的强度光脉冲并且使想象更加快速。

作为此技术的功能的一个示例，我们使用 trEFM 测试在 allpolymer OPV 混合的 photoinduced 充电的工作情况，在这种情况下多 (9,9' - dioctylfluorene cobenzothiadiazole) (F8BT) 和多 (9,9' - dioctylfluorene co bisN， N' 苯基的 1,3 苯二胺) (PFB)。 我们选择了 PFB ：F8BT 混和作为一个模型系统由于讨论宽的文件处理和混合形态学的作用对他们的性能。 通过地势 (图 2c) 与充电的费率图象 (图第 2) 比较，我们可以分析充电的工作情况和局部 PFB 之间的关系：F8BT 影片构成。 我们确认了 trEFM 的实用程序作为一个分析技术通过向显示这种空间平均为的局部充电的费率和被评定的外部量子效率 (EQE)为各种各样的混合比例 (图 2e) 关联。 这是一个扣人心弦的结果 - 与仅一个唯一定标系数，聚合物混合的 trEFM 图象可以用于准确地预测从一部特殊影片将被制造聚合物太阳能电池的效率。 一个人可能想象使用这样方法两个筛选新的材料在实验室里，或者作为在生产设施的一个迅速质量管理诊断。 另外，我们注意到，使用 trEFM 监控其他数量利益，例如空间关联的充电诱捕和 detrapping 是可能的。

为了衡量 trEFM 的实用程序在分析这样材料的，确定空间和时间分辨率限额是必要的。 我们估计这个空间分辨率使用在图 3a 的数据， PFB ：部分地去除 F8BT 混合显示这个基础基体 (铟罐子氧化物， ITO) 和获取的一个充电的费率图象。 因为 photoinduced 充电在仅有的 ITO 不进行，我们可以通过确定充电在聚合物ITO 界面间减少的点估计这个侧向解决方法。 充电的费率以这个界面是一半那在这个聚合物。 远离这个界面的近似 90nm，这种充电的费率是 80% 这个正规值; 这暗示一个侧向解决方法大约 ~100nm 使用 trEFM 是可达到的。 在这种剧情和这个线性部分表示的对应的充电的费率图象也显示。 通过运用电压脉冲于一个金属基体，我们可以也确定我们的当前用具的时间分辨率。 在图 3b，我们运用 100µs 和 50µs 分隔的电压脉冲。 在 100µs 我们可以明显地观察明显的脉冲，但是在这个设置时间分辨率限额导致信号重叠的 50µs，这与我们的在实际聚合物影片的经验解决的充电的费率是一致的。 凭这样数据，我们分别声称 trEFM 有 ~100nm/~100µs 的一个空间/时间分辨率。 在定期解决方法的改善在这个当前 100µs 限额之外不仅将允许我们对更加快速的图象和更好学习局部承运人动力 (诱捕，运输， detrapping) 在短的时间等级，但是它也将启用高度执行的聚合物的研究：球碳混和，不用可能导致另外的实验复杂化) 的重大的衰减 LED 泵脉冲 (。

高度、充电的费率、频移大小和充电的费率适合的错误的图 3. (a) 线路跟踪程序或表在聚合物 ITO 界面。 数据沿在对应的充电的费率图象指示的区被采取了 (正确)。 这种充电的费率减少到 80% 典型的聚合物充电的费率值从聚合物ITO 界面的近似 90nm，如表示的是由黄色圈子。 (b) 在 ITO 的定期解决的电压脉冲抽样，分隔由 100µs (离开) 和 50µs (正确)。 100µs 数据指示 trEFM 的时间分辨率; 50µs 分隔的脉冲不可能是清楚解决由这个当前手段。

光电导性的基本强制显微学 (pcAFM)

设备参数的宏观描述特性例如开放电路电压，短路当前，并且装载系数关于整体设备性能的情报; 然而，在微观级别上，解释可以是难的这些参数如何是受多种处理条件的影响的并且混和形态学，不用可能关联这部影片局部电子属性与局部结构上的功能的直接测量。 因此，除 trEFM 之外，我们使用了光电导性的 AFM (pcAFM) 作为为异种 OPV 影片的微观描述特性的一个补充工具。 导电性 AFM (cAFM)， pcAFM 的亲戚记录局部 photocurrents 直接地在联系模式下，通过使用金属化的 AFM 探测作为顶部联络根本形成 nanoscale 太阳能电池。 在 pcAFM，我们典型地使用集中的激光照明对 photoexcite 这个范例。 小的收集区导致一小 photocurrent，并且有外部量子效率的甚而优质设备 50%，我们发现有利使用高强度照明改进针对噪音的信号。 例如，绿色激光 (晶体激光器 GCL-005L， 5mW， 532nm，参见图 1c) 集中对一个衍射极限的地点于这个范例并且与这个技巧对齐; 在衰减以后，激光强度并且期望的范例故障，与那经常是可比较的在生物范例的共焦的显微学实验。 我们也使用蓝色和红色激光如所需求符合被学习的材料的吸收光谱。 请与与金属整体涂层，通常澳大利亚的 AFM 技巧联系 (预算值传感器， ContE GB， k ~ 0.2N/m)，为评定使用。 一个小的调整点值用于使聚合物层的破坏减到最小，也保持导电性涂层从表面污染解脱。 或许一对使用 pcAFM 的最重大的实用的挑战得到一个好电子图象，无需造成对这个范例的重大的故障。 耐心和自愿以科学的名义牺牲许多 AFM 悬臂经常是必要的。

pcAFM， photocurrent 被评定在一个特定地点反射地方收费生成属性。 在 0 个 V，此当前表示短路当前; 记录本机 IV 曲线在每点也是可能的通过变化电压。 我们执行在典型的聚合物球碳有效的层的 pcAFM 例如多 (2 甲氧基5 (3'， 7' - dimethyloctyl-oxy) - 1,4 苯撑 vinylene) (MDMO-PPV) 或多 (3-hexylthiophene) (P3HT) 与球碳衍生商品 (6,6) - 苯基的 C61 丁酸酸甲基酯 (PCBM) 混合。 我们观察了在地势和短路的微观非均匀性 photocurrent，甚而在最高效的 MDMO-PPV/PCBM 太阳能电池。 在 photocurrent 上的变化在相似的区否则地形学地暗示不同的表层下构成。 最近，我们使用了在 P3HT 的更加进一步的 pcAFM 评定：用学习对变化的基础形态摊缴的不同的处理条件的 PCBM 范例在设备性能上。 锻炼一部存款影片是改进设备的效率的一个公用处理步骤。 使用 pcAFM，我们能直接地观察 photocurrent 配电器和焖火，即在平均数和高峰 photocurrent 的增量之间的关系与增加的退火时间。 例如，在图 4a 和 4b 我们显示地势和对应短路 photocurrent 为 P3HT ：在 10 分钟锻炼的 PCBM 影片。 与 MDMO-PPV ：PCBM 范例，在 photocurrent 上的局部变化在地形学地平凡的区内是明显的。

与 trEFM，我们可以通过关联空间平均为的 photocurrent 估计 pcAFM 当前信息之间的定量关系在分析 OPV 效率在 pcAFM 数据与在同样材料的 EQE 评定。 在图 4c 能被看见，通过 pcAFM 派生的 photocurrent 评定按照定性趋势和从宏观设备得到的效率一样。 此结果建议 pcAFM 可能探查宏观设备性能微观支柱。 获取的 pcAFM 数据然后是有用从 OPV 设备提取电子和空穴电流和流动性，并且可能甚而使用，工具选择最佳的混合和处理条件。 然而，强调是重要的，当在 pcAFM 数据和 EQE 之间的定性趋势一般在利益协定时，我们经常查找在局部 pcAFM 平均数和批量设备属性之间的定量区别。 不完全地惊奇假设的这我们使用高功函技巧 (澳大利亚， Pt)，并且联络作用在当前提取预计扮演某作用。 的确，为此是我们相信 pcAFM 数据比在各种各样的施主受主浓度间更好一般关联与一个固定的混合比例的宏观性能执行，并且应该总是记住技巧 workfunction 和所有关联射入提取障碍的重要性，当分析 pcAFM 数据时。

汇总和外型

我们描述了得这里的技术是扩展名对用收容所研究做的这个执行 AFM 评定 MFP-3D-BIO。 这些反之允许使用做评定 BHJs 形态学，电子和光学性能全部在 nanoscale，并且，关键地，在设备的同一区。 结果我们能做重大的进步在我们的了解对甚而被分析的 OPV 系统如何运行根据局部形态学。

在 P3HT/PCBM 的图 4. 微观非均匀性在 (a) 地势方面和 (b) photocurrent 混和。 2µm 扫描。 (c) 通过 pcAFM 被评定的空间平均为的 photocurrent 之间的相关性和为不同的时间长度锻炼的 P3HT/PCBM 混合的 EQE 评定再表明 pcAFM 数据与期望的设备性能是定性地一致的。

看起来有进一步推进的空间。 例如在时间分辨率的改善在当前 100µs 限额之外的 trEFM，例如使用有更高的带宽的新一代设备，能打开在不同的系统的进一步定期解决的实验例如聚合物：球碳设备以及改进这个技术的处理量。 与 pcAFM 和 trEFM 设置的耦合的清楚的光谱照明也将允许对光电子工作情况的光谱分析。 以上和或许进一步 pcAFM 工作是目前进行中的在几个组使用更低的功函技巧以便避免讨论的某些限制达到在 EQE 之间的更好的定量协议并且空间平均为 photocurrent 在不同的服务供应商/接受人混合比例设备。

当这里技术存在 OPV 形态学中时，应该指出他们可以也是有用的在其他 photoactive 技术。 例如，固体染料使太阳能电池敏感或综合光催化剂预计陈列根本地将影响电子性能的局部非均匀性。 因此 trEFM 和 pcAFM 提供为分析这些系统的理想的工具。

来源： “分析有机光致电压的材料和设备的新的扫描探测技术” Rajiv Giridharagopal， Guozheng Shao，克里斯树丛和大卫 S. Ginger，化学系，华盛顿大学

此信息是来源，复核和适应从收容所研究提供的材料。

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