Analyse van de organische fotovoltaïsche gebruik nanoIR

Door AZoNano Editors

Inhoudsopgave

Introductie

Organische fotovoltaïsche (PV) materialen worden gebruikt in het benutten van zonne-energie als alternatieve energiebron. Polymeer mengsels van poly (3-hexylthiophene), P3HT, en (6,6)-fenyl-C61-boterzuur methylester (PCBM) zijn een populaire donor-acceptor (DA) bulk heterojunctie (BHJ), die op grote schaal worden gebruikt voor een dergelijke toepassingen. AFM en TEM zijn gebruikt om de structuur van de PV-films in hoge ruimtelijke resolutie te karakteriseren, maar met chemische informatie is zeer moeilijk te verkrijgen op nanoschaal.

Overzicht

In deze application note, zijn topografische kenmerken zijn gecorreleerd met lokale chemische spectroscopie op P3HT en PCBM-gedoteerde P3HT films met behulp van de innovatieve nanoIR ™ -technologie. Een set van hoge ruimtelijk (~ 100 nm) opgelost chemische analyse van fotovoltaïsche materialen, namelijk P3HT (poly (3 - hexylthiophene)) en PCBM ((6,6)-fenyl-C61-boterzuur methylester) worden uitgevoerd.

nanoIR Platform

Infrarood (IR) spectroscopie wordt vaak gebruikt voor analytische metingen in industriële en academische R & D-laboratoria. De ruimtelijke resolutie doorbraak wordt verkregen door een innovatieve techniek die een nanoschaal sonde maakt gebruik van een atomic force microscoop (AFM) dat fungeert als de IR absorptie detector. De aard van de IR-absorptie detectie resulteert in metingen van nanoschaal mechanische eigenschappen gelijktijdig met nanoschaal morfologie, samen met de chemische samenstelling. De nanoIR heeft ook geïntegreerd nanoschaal thermische eigenschappen in kaart brengen wat resulteert in een multifunctionele tool die nanoschaal structuur, chemische, mechanische en thermische eigenschappen biedt. Dr. Alexandre Dazzi van het Laboratoire de Physique Chimie, CLIO, Universite Paris-Sud, Orsay, Frankrijk, pionierde een gepatenteerde technologie die de AFM en IR-spectroscopie (AFM-IR) combineert.

Figuur 1. NanoIR Platform

Figuur 2. Close up van het prisma en de AFM meetkop

nanoIR Setup

Het nanoIR systeem maakt gebruik van een pulserende, verstelbare IR bron om moleculaire vibraties te wekken in een monster dat is gemonteerd op een IR transparante (ZnSe) prisma. Het systeem IR-bron is ontwikkeld met behulp van een gepatenteerde technologie die is traploos instelbaar 1200 tot 3600 cm ^-1 die een breed bereik van de mid-IR-spectrum. De absorptie van straling door het monster resulteert in een snelle verwarming en thermische expansie die resonante trillingen van de cantilever oorzaken. De geïnduceerde trillingen resulteren in een karakteristieke ringdown zoals weergegeven in figuur 3.

Figuur 3. Schematische toont de techniek achter de nanoIR

Het is mogelijk voor nanoIR gebruikers om snel de regio's van een steekproef door de AFM beeldvorming en krijgt dan een hoge resolutie chemische spectra op geselecteerde regio's op het monster. Zoals weergegeven in figuur 4, polymeer spectra verkregen van de nanoIR hebben systeem gedemonstreerd goede correlatie met bulk Fourier transform infrarood (FT-IR) spectra.

Figuur 4. Een vergelijking van het spectrum gegenereerd door de nanoIR (rood) en conventionele FT-IR (blauw) van een polystyreen monster.

Kenmerken van nanoIR Platform

De kenmerken van de nanoIR platform zijn hieronder opgesomd:

• Het nanoIR systeem biedt een hoge resolutie infrarood-spectra, en gegevens over de mechanische eigenschappen van het monster. Dit wordt bereikt, zoals eerder vermeld, door monitoring van de frequentie van de fundamentele of hogere resonante modi van de cantilever.
• Het contact resonantiefrequentie van de cantilever is direct gerelateerd aan de stijfheid van het monster en kan worden gebruikt om de modulus van het monster kwalitatief kaart.
• De nanoIR platform kunt ook nanoschaal thermische analyse met behulp van nieuwe AFM uitkragingen dat een resistief verwarmingselement te integreren op het cantilever einde
• Met behulp van deze uitkragingen samen met het systeem maakt het mogelijk de lokale meting van de overgang van het materiaal dat op een punt of een array van punten in een monster.
• Dit maakt detectie of in kaart brengen van de amorfe / kristallijne content, stress, mate van genezing, of ander materiaal eigenschappen die kunnen worden gekenmerkt door de overgang temperatuur van het materiaal.

Metingen van Drop-Cast P3HT en PCBMdoped P3HT films

De nanoIR techniek is perfect voor het meten van polymere monsters waarin er lokaal materiaal variaties. Volgens de sampling techniek, het materiaal moet worden afgezet als een dunne film op een ZnSe prisma. Vandaar dat de materialen zijn onderworpen aan dropcasting uit de oplossing rechtstreeks op het prisma.

Drop-Gegoten P3HT Film

Het is belangrijk op te merken dat niet alle oppervlakte-eigenschappen op dezelfde AFM afbeelding delen dezelfde infrarood-absorptie-eigenschappen. Een gebied van interesse wordt getoond in Figuur 5, waar kleine uitstulpingen van de orde van enkele microns worden gezien.

Figuur 5. Point-and-click spectrale overname over een groot gebied van een dunne film op een P3HT ZnSe prisma

Genormaliseerd point-and-click IR spectrale overname laat zien dat slechts enkele punten licht te zijn absorptie functies, zoals een lange staart absorptie (Spectrum 10) en de schouder in de buurt van 1500 cm verbreed ^{- 1} is minder gedefinieerd. Aan de andere punten, is vastgesteld dat spectra gaf zijn vergelijkbaar met de bulk P3HT materiaal. Punten met betrekking tot het spectrum 12 tot 14, is te zien dat de verbrede absorptie lijkt weg te zijn van de hoogte-functie. Ter verbetering van de spectrale analyse, was de streek in de buurt van het spectrum 12-14 opnieuw gescand met een hogere ruimtelijke resolutie en de daarmee verband houdende beeld wordt weergegeven in figuur 6 (boven) en de spectrale reeks overname daarna verkregen is weergegeven in figuur 6 (zie hieronder).

Figuur 6 Een spectrale reeks overname toont de AFM beeld (boven) en de bijbehorende spectra (onder) in de buurt van plekken 12-14 in figuur 5;. Tussenruimte tussen elke marker is ~ 100 nm

De spectra zijn ongeveer 100 nm van elkaar genomen en spectrale variaties worden gezien binnen dezelfde lengte-schaal (van de tweede naar de derde en van de vijfde tot zesde spectra). Als de schouder rond 1500 cm ^-1 verdwijnt en dan weer verschijnt op de pijltjes, het signaal in de buurt van 1380 cm ^-1 lijkt breder. Door gebruik te maken van de nanoIR ™ , kunnen deze IR-spectrale veranderingen te zien in een verbluffend hoge ruimtelijke resolutie.

PCBM-gedoteerde P3HT blend

In dit voorbeeld wordt een oppervlaktedefect waargenomen in figuur 7, waarin toont een AFM afbeelding van een warmtebehandelde P3HTPCBM monster. De gelokaliseerde IR spectra die specifiek zijn voor oppervlakte-eigenschappen worden getoond direct onder de afbeelding.

Figuur 7. Een AFM imago en de spectra van een warmte-behandelde PCBM-gedoteerde P3HT sample

Wanneer de nanoIR spectra wordt vergeleken met de nanoIR spectra van de zuivere componenten, zijn de plaatselijke veranderingen geïdentificeerd. De methyleen buigen modes bij 1444 cm ^-1 en 1432 cm ^-1 komt overeen met de P3HT en PCBM, respectievelijk. De 1444 cm ^-1 band heeft ook een bijdrage van een overlappende ring halve cirkel stretching-modus. De overeenkomstige spectrum voor de gele hekje heeft beide componenten. Op de buitenste ring of het rode merk of een spectrum, de piek bij 1732 cm ^-1 (PCBM) is klein en de component bij 1444 cm ^-1 (P3HT) is dominant. Op zowel groen en paars streepjes (spectra 3 en 4), is de band in de buurt van 1432 cm ^-1 vooral bijgedragen door PCBM. Ten slotte is de scherpte van de band in 1432 cm ^-1 en een sterkere 1732 cm ^-1 signaal suggereren dat de lob in het midden is meestal PCBM.

De stijfheid van het oppervlak defect in relatie tot P3HTPCBM mix kunnen worden afgebeeld met behulp van de nanoIR ™ . Bij blootstelling aan een continu pulserende IR-laser straling bij 1450 cm ^-1 het contact frequentie van de cantilever voortdurend wordt opgespoord als de AFM tip beweegt over het monster. Hier wordt de bulk materiaal (geel / oranje) lijkt stijver dan de meeste van de binnenruimten van het defect (groen).

. Figuur 8 Contact frequentie beeld van een chemische afwijking in kaart gebracht opzichte van de overeenkomstige hoogte beeld, het bereik van de frequentie is ongeveer 30 kHz (gekleurde balk:. Orange stijver, diep bruin - zachter)

Conclusies

De gegevens verkregen uit de analyse blijkt het vermogen van de nanoIR ™ om een set van fotovoltaïsche materialen met een hoge ruimtelijke resolutie (~ 100 nm) te analyseren. De topologische functies kunnen worden gekoppeld aan de bijbehorende chemische infrarood. 100 nm ruimtelijke resolutie kan gemakkelijk worden bereikt in toepassingen waar domeingrenzen niet bekend zijn. Lokale fasescheiding van materialen worden gevonden door het vergelijken van de lokale nanoIR pectra bij het ​​defect sites met het grootste deel spectra van de zuivere componenten. Daarnaast worden de relatieve contact frequenties rond het defect tegelijk in kaart gebracht met de bijbehorende topografie.

Over Anasys Instrumenten

Anasys Instruments Corporation is de pionier op het gebied van sub-100nm thermische eigenschappen informatie. Van het bedrijf technologie en producten worden gebruikt om metrologie en analyse uitdagingen in de polymeren, farmacie, data-opslag en geavanceerde materialen aan te pakken. In 2007 werd Anasys uitgeroepen tot winnaar van twee prestigieuze awards, de R & D 100 Award en de inaugurele micro / nano 25 Award, die beide Anasys erkennen als leiders in innovatieve technologie.

Bron: Anasys Instrumenten

Voor meer informatie over deze bron kunt u terecht op Anasys Instruments