分析有機光致電壓的材料和設備使用新的掃描探測技術由收容所研究

包括的事宜

摘要
簡介
對 Nanoscale 形態學的分析
定期解決的靜電力顯微學 (trEFM)
trEFM 實驗
光電導性的基本強制顯微學 (pcAFM)
彙總和外型

摘要

有機太陽能電池擁有承諾作為經濟手段收穫太陽能由於生產他們的方便和處理。 然而,效率的這樣有機光致電壓的 (OPV)設備當前在對於普遍採用是必需的那下。 OPV 的效率與其 nanoscale 形態學密切被鏈接。 高分辨率計量學在新的有機半導體的發現和優化可能扮演一個關鍵角色在實驗室裡,以及協助解決 OPVs 的轉移從這個實驗室的與大量生產。 我們覆核有助問題與掃描探測證明是有用的在 nanostructured 有機太陽能電池的研究的顯微學技術的應用相關例如光電導性的基本強制顯微學和定期解決的靜電力顯微學。 這些技術提供唯一答案到 OPV 設備基礎非均勻性并且為知道形態學如何提供 nanoscale 基本類型直接地影響 OPV 運算。 終於,我們在掃描探測顯微學討論進一步改善的機會對 OPV 發展有用。 在此應用註解和想像討論的所有評定執行與收容所研究 MFP-3D-BIO™基本強制顯微鏡

簡介

OPV 材料是轉換的陽光一個湧現的可選擇的技術成電。 OPVs 是可能地非常耗費小處理,高可朔性根據製造和與機械上靈活的基體兼容。 在 OPV 設備,半導體的聚合物或小的有機分子用於實現收集太陽光子,轉換光子成電荷和運輸充電的功能對外部電路作為可用的當前。

當前,強烈被學習的和最高的執行的 OPV 系統是使用批量異質結的那些 (或 BHJ) 混合作為有效的層,当 NREL 被確認的能量變換效率表面上月度改善和當前突出在 6.77%。 在批量異質結混合,服務供應商和接受人材料在解決方法典型地混合,并且這個混合物在這個基體然後被塗上形成有效的層。 服務供應商/接受人對可能包括二個不同被共軛的聚合物,但是它經常是一個被共軛的聚合物 (服務供應商) 和一件可溶解球碳衍生商品 (接受人)。 在圖 1a 的例證顯示典型的基於 BHJ 的 OPV 設備結構。

儘管過去幾年預付款, OPVs 效率仍然在為行業生活能力需要的這個級別下。 往被改進的 OPV 效率的路徑看上去直接,并且研究員有效地研究目標例如這個太陽光譜的更好的覆蓋範圍增加當前和服務供應商和接受人的被剪裁的能級獲取更高的開放電路電壓。 然而,這些否則在材料綜合的直接的問題由這個情況複雜化紋理或者形態學對確切的條件是敏感的,施主接受人混合 - 混合如何被處理了成薄膜 - 有對 OPVs 性能的嚴重的作用。 形態學的重要性從一定數量的微觀進程競爭需要出現。 首先,當光在一個有機半導體時被吸收,能源任意生產一中立 quasiparticle 或者激子,而不是載流子。 在多數有機太陽能電池,激子典型地被離解到在界面的自由電荷用不同的電子親合力的二個不同有機半導體之間,因此對服務供應商/接受人的普遍使用混和。 然而,而有機太陽能電池的有效的層濃厚需要是吸收大多數的 ~100-200nm 入射光,激子的擴散長度是 ~10nm,并且因而服務供應商和接受人材料一定是混雜的在此長度縮放比例產量每高效的設備。



一個典型的批量異質結有機光致電壓的設備的圖 1. (a) 概要。 在收容所研究的 MFP-3D-BIO™ AFM 系統基礎上和 (c) pcAFM 實驗設置的簡圖 (b) trEFM。

對 Nanoscale 形態學的分析

特別地使用掃描探測技術例如基本強制顯微學和其多種擴展名,對此 nanoscale 形態學的分析要求高分辨率空間映射 (AFM)有效的層。 瀏覽的探測顯微學是特別有用的由於這個能力對圖像在處理域的 ~10-100nm 縮放比例的解決方法被觀察在公用 OPV 材料。 使用 AFM,執行的 AFM,靜電力顯微學和瀏覽凱爾文探測顯微學,幾個組 (EFM),例如,分析了 OPV 系統 (SKPM)。 光學差異例如瀏覽光學顯微學 (NSOM) 的近域和挖洞基於發光學的 AFM 也用於探查 OPV 混合形態學。

我們在最近覆核了對掃描探測顯微學的清楚的使用有機電子領域并且識別對 OPV 運算是重要 nanoscale 物理的特定區域。 在此條款上,我們採取一個更加實用的輪并且討論實驗挑戰,并且機會與是使用的幫助的二個不同 AFM 技術、光電導性的 AFM (pcAFM) 和定期解決的 EFM (trEFM) 相關知道形態學如何影響 OPV 性能。

trEFM 是在 OPV 層使用定期解決的評定分析在 photoinduced 充電生成、收藏和放電上的局部變化的一個沒有接觸的技術,而 pcAFM 是直接地評定 photocurrent 得到局部形態學和其關係有用的信息到局部 photoresponse 的聯絡模式方法。 圖 1b 和 1c 這個手段一張簡圖在 trEFM 和 pcAFM 使用的顯示。 在我們的實驗室,我們實施了技術使用收容所使用一個自定義碼套件 AFM 被耦合對 Nikon TE2000-U 被倒置的光學顯微鏡和被控制的研究的 MFP-3D-BIO 寫在伊戈爾 (WaveMetrics, Inc.),收容所研究的 AFMs 使用的科學軟件環境。 在一塊光學麵包板被掛接適應外部光學 (托爾實驗室) 和一個被動隔振階段支持這個系統 (減 K 技術)。 (ND)中性密度濾光片允許我們調整在兩個技術的照明強度。 整個系統在有銅濾網保護的和音響阻止的泡沫的一個膠合板配件箱內被安置。 為了保護可能地空敏感的範例免受光氧化,我們使用一個收容所研究被密封的可變的細胞。 最初設計為想像生物範例在液體下,這個設計允許敏感範例裝載到在手套箱的細胞并且允許我們進行評定,當清除與乾燥氮氣時。 此途徑在手套箱消除需要安裝整個 AFM/optical 系統。

定期解決的靜電力顯微學 (trEFM)

在討論 trEFM 特定前,我們簡要首先將覆核穩定 EFM。 可以在別處找到常規穩定 EFM 的詳細描寫。 EFM 是 AC 模式想像的表單。 當多數 AFM 用戶熟悉利用這個技巧和這個範例之間的 van der Waals 交往對圖像範例地勢 AC 模式想像時的更加公用的表單 (即 「斷斷續續的聯繫模式 AFM ") EFM 利用這個情況懸臂的振盪運動對這個技巧和範例之間的更加遠程的靜電交往也是敏感的。 在一個公用 EFM 想像模式下,這些靜電交往是通過評定他們的對懸臂式共鳴頻率的作用監控的,當懸臂做振動某個距離 (~10nm) 時在範例表面上。 與表面的交往在此距離由局部靜電力梯度控制,并且轉移在懸臂式共鳴頻率中與局部電容梯度和電位差是按比例這個技巧和這個範例之間。 頻移 (f) 可以被寫如下:

這裡, C 是電容, z 是相對技巧高度, Vtip 是電壓適用於這個技巧,并且 Vsample 是在這個範例的局部潛在。 在一個典型的穩定 EFM 實驗,線路在 AC 模式下瀏覽記錄範例地勢; 這個技巧然後被上升邊框形式距離 (例如 20nm) 到在短程 van der Waals 強制之外的範圍,并且轉移在懸臂的諧振頻率中被評定,當電壓是應用的在這個技巧和範例之間時。

當常規時 EFM 是有用的在各種各樣的靜態或準靜態過程,參數例如表面潛在和電容梯度失敗的描述特性在有機電子設備的關於薄膜太陽能電池的局部效率的直接情報。 使用 trEFM,要解決此限制,我們擴大 EFM 的功能使非定常現象的研究在子女士時間表。 trEFM,我們可以評定在靜電力梯度的過渡過程特性。 特別地,在我們的當前實施,我們監控在可能起因於,例如, photogenerated 充電迅速累計在太陽能電池在照明之後的式 1,或者載流子快速誘捕和 detrapping 動能學的非定常頻移在子女士時間表的。

trEFM 實驗

圖 2a 表示 trEFM 實驗的運算對評定 photogenerated 充電。 在黑暗,半導體平板主要被耗盡載流子。 這個範例然後照亮與光脈衝,并且 OPV 材料的 photoexcitation 生成載流子。 由於在這個技巧的應用的電壓 (在典型我們的實驗 5-10V),這些 photogenerated 載流子移居對有效的層的反面。 充電的發生的累計更改電容和靜電力梯度,反過來導致共鳴頻移根據式 1。 通過持續評定與 ~100µs 時間分辨率的 ƒ,我們能記錄充電的曲線和確定在材料 (圖 2b) 的局部充電的費率。 當這個能力學習動態過程是 trEFM 時的一個明顯的好處,我們發現 trEFM 的另一個重大的好處是比常規 EFM 或 SKPM 看起來是較不敏感的對技巧汙穢。 我們歸因於此被添加的強壯這個情況 trEFM 評定變化率而不是一個绝對值和,因此對汙穢是較不敏感的和因而是一個更加可重複和更加穩健的技術。



圖 2. (a) 概要描述 photogenerated 載流子如何導致在電容梯度和一個變化的一個增量在表面潛在上和因而班次在共鳴頻率。 時間變化率在此班次的是什麼由 trEFM 評定。 (b) 共鳴頻移的有代表性的劇情與按照 photoexcitation 的時間。 在時間 t=0 女士, LED 打開,導致指數衰變在頻移。 通過查找此朽爛時間常數我們可以提取一種相對充電的費率。 (c) 地勢和 (d) 充電的費率圖像 PFB 的同一區的:F8BT 範例,溶化在與 1:1 構成的二甲苯。 (e) 在影片的空間平均為的充電的費率用不同的 PFB :F8BT 比例與 EQE 評定陳列的這個趨勢是定量地一致的。

在我們的實驗我們經常使用商業 Pt 上漆的懸臂 (例如預算值傳感器 ElectricTap-300G) 有彈簧恆定的 k ~ 40N/m 和共鳴頻率 f ~ 的 300kHz。 我們 photoexcite 與照明的範例從經營在不同的波長的 LEDs 搏動根據這個範例的吸收屬性。 对我們的 polyfluorene 聚合物的研究,我們典型地使用 405nm LED (LEDtronics L200CUV405-8D16)。 trEFM 是足够敏感的低強度 LED 照明,相當於 1 太陽或較少,是滿足導致一個有用的信號。 光強度的衰減使用多種 ND 補白的可以用於調整總充電的時候,以便将足够長期乾淨地解決,但是足够快速使被重複的評定溫順。

作為時間功能,為了生成圖像,我們搏動 LED在這個範例的每個位置然後記錄發生的頻移,造成劇情例如那在圖 2b。 一個指數衰變功能然後適合對頻移的朽爛,并且此衰減常數與 photocurrent 關連我們希望評定。 我們重複每像素的此進程能生成同時充電的費率和地勢圖像。 由於這個充電的進程是相對地快速的,一個 256 個 x 256 個解決方法 trEFM 圖像需要大約二十分鐘獲取,與標準 SKPM 技術是可比較的。 這個能力記錄與更加快速的時間分辨率的懸臂式行動,應該是可能的對 AFM 硬件的新一代,將允許使用更高的強度光脈衝并且使想像更加快速。

作為此技術的功能的一個示例,我們使用 trEFM 測試在 allpolymer OPV 混合的 photoinduced 充電的工作情況,在這種情況下多 (9,9' - dioctylfluorene cobenzothiadiazole) (F8BT) 和多 (9,9' - dioctylfluorene co bisN, N' 苯基的 1,3 苯二胺) (PFB)。 我們選擇了 PFB :F8BT 混和作為一個模型系統由於討論寬的文件處理和混合形態學的作用對他們的性能。 通過地勢 (圖 2c) 與充電的費率圖像 (圖第 2) 比較,我們可以分析充電的工作情況和局部 PFB 之間的關係:F8BT 影片構成。 我們確認了 trEFM 的實用程序作為一個分析技術通過向顯示這種空間平均為的局部充電的費率和被評定的外部量子效率 (EQE)為各種各樣的混合比例 (圖 2e) 關聯。 這是一個扣人心弦的結果 - 與仅一個唯一定標系數,聚合物混合的 trEFM 圖像可以用於準確地預測從一部特殊影片將被製造聚合物太陽能電池的效率。 一個人可能想像使用這樣方法兩個篩選新的材料在實驗室裡,或者作為在生產設施的一個迅速質量管理診斷。 另外,我們注意到,使用 trEFM 監控其他數量利益,例如空間關聯的充電誘捕和 detrapping 是可能的。

為了衡量 trEFM 的實用程序在分析這樣材料的,確定空間和時間分辨率限額是必要的。 我們估計這個空間分辨率使用在圖 3a 的數據, PFB :部分地去除 F8BT 混合顯示這個基礎基體 (銦罐子氧化物, ITO) 和獲取的一個充電的費率圖像。 因為 photoinduced 充電在僅有的 ITO 不進行,我們可以通過確定充電在聚合物ITO 界面間減少的點估計這個側向解決方法。 充電的費率以這個界面是一半那在這個聚合物。 遠離這個界面的近似 90nm,這種充電的費率是 80% 這個正規值; 這暗示一個側向解決方法大約 ~100nm 使用 trEFM 是可達到的。 在這種劇情和這個線性部分表示的對應的充電的費率圖像也顯示。 通過運用電壓脈衝於一個金屬基體,我們可以也確定我們的當前用具的時間分辨率。 在圖 3b,我們運用 100µs 和 50µs 分隔的電壓脈衝。 在 100µs 我們可以明顯地觀察明顯的脈衝,但是在這個設置時間分辨率限額導致信號重疊的 50µs,這與我們的在實際聚合物影片的經驗解決的充電的費率是一致的。 憑這樣數據,我們分別聲稱 trEFM 有 ~100nm/~100µs 的一個空間/時間分辨率。 在定期解決方法的改善在這個當前 100µs 限額之外不僅將允許我們對更加快速的圖像和更好學習局部承運人動力 (誘捕,運輸, detrapping) 在短的時間等級,但是它也將啟用高度執行的聚合物的研究:球碳混和,不用可能導致另外的實驗複雜化) 的重大的衰減 LED 泵脈衝 (。



高度、充電的費率、頻移大小和充電的費率適合的錯誤的圖 3. (a) 線路跟蹤程序或表在聚合物 ITO 界面。 數據沿在對應的充電的費率圖像指示的區被採取了 (正確)。 這種充電的費率減少到 80% 典型的聚合物充電的費率值從聚合物ITO 界面的近似 90nm,如表示的是由黃色圈子。 (b) 在 ITO 的定期解決的電壓脈衝抽樣,分隔由 100µs (離開) 和 50µs (正確)。 100µs 數據指示 trEFM 的時間分辨率; 50µs 分隔的脈衝不可能是清楚解決由這個當前手段。

光電導性的基本強制顯微學 (pcAFM)

設備參數的宏觀描述特性例如開放電路電壓,短路當前,并且裝載系數關於整體設備性能的情報; 然而,在微觀級別上,解釋可以是難的這些參數如何是受多種處理條件的影響的并且混和形態學,不用可能關聯這部影片局部電子屬性與局部結構上的功能的直接測量。 因此,除 trEFM 之外,我們使用了光電導性的 AFM (pcAFM) 作為為異種 OPV 影片的微觀描述特性的一個補充工具。 導電性 AFM (cAFM), pcAFM 的親戚記錄局部 photocurrents 直接地在聯繫模式下,通過使用金屬化的 AFM 探測作為頂部聯絡根本形成 nanoscale 太陽能電池。 在 pcAFM,我們典型地使用集中的激光照明對 photoexcite 這個範例。 小的收集區導致一小 photocurrent,并且有外部量子效率的甚而優質設備 50%,我們發現有利使用高強度照明改進針對噪音的信號。 例如,綠色激光 (晶體激光器 GCL-005L, 5mW, 532nm,參見圖 1c) 集中對一個衍射極限的地點於這個範例并且與這個技巧對齊; 在衰減以後,激光強度並且期望的範例故障,與那經常是可比較的在生物範例的共焦的顯微學實驗。 我們也使用藍色和紅色激光如所需求符合被學習的材料的吸收光譜。 請與與金屬整體塗層,通常澳大利亞的 AFM 技巧聯繫 (預算值傳感器, ContE GB, k ~ 0.2N/m),為評定使用。 一個小的調整點值用於使聚合物層的破壞減到最小,也保持導電性塗層從表面汙染解脫。 或許一對使用 pcAFM 的最重大的實用的挑戰得到一個好電子圖像,无需造成對這個範例的重大的故障。 耐心和自願以科學的名義犧牲許多 AFM 懸臂經常是必要的。

pcAFM, photocurrent 被評定在一個特定地點反射地方收費生成屬性。 在 0 个 V,此當前表示短路當前; 記錄本機 IV 曲線在每點也是可能的通過變化電壓。 我們執行在典型的聚合物球碳有效的層的 pcAFM 例如多 (2 甲氧基5 (3', 7' - dimethyloctyl-oxy) - 1,4 苯撐 vinylene) (MDMO-PPV) 或多 (3-hexylthiophene) (P3HT) 與球碳衍生商品 (6,6) - 苯基的 C61 丁酸酸甲基酯 (PCBM) 混合。 我們觀察了在地勢和短路的微觀非均勻性 photocurrent,甚而在最高效的 MDMO-PPV/PCBM 太陽能電池。 在 photocurrent 上的變化在相似的區否則地形學地暗示不同的表層下構成。 最近,我們使用了在 P3HT 的更加進一步的 pcAFM 評定:用學習對變化的基礎形態攤繳的不同的處理條件的 PCBM 範例在設備性能上。 鍛煉一部存款影片是改進設備的效率的一個公用處理步驟。 使用 pcAFM,我們能直接地觀察 photocurrent 配電器和燜火,即在平均數和高峰 photocurrent 的增量之間的關係與增加的退火時間。 例如,在圖 4a 和 4b 我們顯示地勢和對應短路 photocurrent 為 P3HT :在 10 分鐘鍛煉的 PCBM 影片。 與 MDMO-PPV :PCBM 範例,在 photocurrent 上的局部變化在地形學地平凡的區內是明顯的。

與 trEFM,我們可以通過關聯空間平均為的 photocurrent 估計 pcAFM 當前信息之間的定量關係在分析 OPV 效率在 pcAFM 數據與在同樣材料的 EQE 評定。 在圖 4c 能被看見,通過 pcAFM 派生的 photocurrent 評定按照定性趨勢和從宏觀設備得到的效率一樣。 此結果建議 pcAFM 可能探查宏觀設備性能微觀支柱。 獲取的 pcAFM 數據然後是有用從 OPV 設備提取電子和空穴電流和流動性,并且可能甚而使用,工具選擇最佳的混合和處理條件。 然而,強調是重要的,當在 pcAFM 數據和 EQE 之間的定性趨勢一般在利益協定時,我們經常查找在局部 pcAFM 平均數和批量設備屬性之間的定量區別。 不完全地驚奇假設的這我們使用高功函技巧 (澳大利亞, Pt),并且聯絡作用在當前提取預計扮演某作用。 的確,為此是我們相信 pcAFM 數據比在各種各樣的施主受主濃度間更好一般關聯與一個固定的混合比例的宏觀性能執行,并且應該總是記住技巧 workfunction 和所有關聯射入提取障礙的重要性,當分析 pcAFM 數據時。

彙總和外型

OPVs 取決於的 BHJ 形態學是非常複雜的。 混合一個給電子體和接受人在一個公用解決方法,跟隨由空轉塗層,產生有功能在各種各樣的長度等級的形態學。 這些功能反之影響設備的能力分裂激子,并且發生的能力充電通過這部影片駕駛途徑湧現如有用 photocurrent。 結果, OPVs 性能固有地是一個局部屬性。 在是幾个 mm2 在區將隱含地介入很多平均為設備屬性的批量設備和許多的評定局部微觀詳細資料隨後將丟失。

我們描述了得這裡的技術是擴展名對用收容所研究做的這個執行 AFM 評定 MFP-3D-BIO。 這些反之允許使用做評定 BHJs 形態學,電子和光學性能全部在 nanoscale,并且,關鍵地,在設備的同一區。 結果我們能做重大的進步在我們的瞭解對甚而被分析的 OPV 系統如何運行根據局部形態學。



在 P3HT/PCBM 的圖 4. 微觀非均勻性在 (a) 地勢方面和 (b) photocurrent 混和。 2µm 掃描。 (c) 通過 pcAFM 被評定的空間平均為的 photocurrent 之間的相關性和為不同的時間長度鍛煉的 P3HT/PCBM 混合的 EQE 評定再表明 pcAFM 數據與期望的設備性能是定性地一致的。

看起來有進一步推進的空間。 例如在時間分辨率的改善在當前 100µs 限額之外的 trEFM,例如使用有更高的帶寬的新一代設備,能打開在不同的系統的進一步定期解決的實驗例如聚合物:球碳設備以及改進這個技術的處理量。 與 pcAFM 和 trEFM 設置的耦合的清楚的光譜照明也將允許對光電子工作情況的光譜分析。 以上和或許進一步 pcAFM 工作是目前進行中的在幾個組使用更低的功函技巧以便避免討論的某些限制達到在 EQE 之間的更好的定量協議并且空間平均為 photocurrent 在不同的服務供應商/接受人混合比例設備。

當這裡技術存在 OPV 形態學中時,應該指出他們可以也是有用的在其他 photoactive 技術。 例如,固體染料使太陽能電池敏感或綜合光催化劑預計陳列根本地將影響電子性能的局部非均勻性。 因此 trEFM 和 pcAFM 提供為分析這些系統的理想的工具。

來源: 「分析有機光致電壓的材料和設備的新的掃描探測技術」 Rajiv Giridharagopal, Guozheng Shao,克里斯樹叢和大衛 S. Ginger,化學系,華盛頓大學

此信息是來源,覆核和適應從收容所研究提供的材料。

關於此來源的更多信息请請參觀收容所研究

Date Added: Jul 1, 2010 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 14. June 2013 01:12

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