Análise do fotovoltaico orgânico Usando nanoIR

Por Editores AZoNano

Índice

Introdução

Orgânicos fotovoltaicos (PV) são os materiais utilizados no poder aproveitar energia solar como fonte de energia alternativa. Misturas poliméricas de poli (3-hexylthiophene), P3HT, e (6,6)-fenil-C61-butírico ácido éster metílico (PCBM) são uma popular doador-aceitador (DA) em massa heterojunção (BHJ) que são amplamente utilizados para tais aplicações. AFM e TEM têm sido utilizados para caracterizar a estrutura dos filmes PV em alta resolução espacial, mas a informação química é muito difícil de obter em nanoescala.

Visão global

Nesta nota de aplicação, características topográficas têm sido correlacionados à espectroscopia química local no P3HT e filmes PCBM dopado P3HT utilizando o inovador nanoIR ™ tecnologia. Um conjunto de análises químicas de alta espacialmente (~ 100 nm) resolvidos de materiais fotovoltaicos, ou seja, P3HT (poli (3 - hexylthiophene)) e PCBM ((6,6)-fenil-C61-butírico éster metílico de ácido) são realizadas.

Plataforma nanoIR

Espectroscopia de infravermelho (IR) é comumente utilizado para a medição analítica industrial e acadêmica de P & D laboratórios. O avanço resolução espacial é obtida através de uma técnica inovadora que utiliza uma sonda em nanoescala de um microscópio de força atômica (AFM), que atua como o detector de absorbância IR. A natureza dos resultados de absorbância IR detecção em medições de propriedades mecânicas em nanoescala, simultaneamente com a morfologia em nanoescala, juntamente com a composição química. O nanoIR também integrou mapeamento da propriedade em nanoescala térmica, resultando em uma ferramenta multifuncional que fornece a estrutura em nanoescala, mecânica, química e propriedades térmicas. Dr. Alexandre Dazzi do Laboratoire de Chimie Physique, CLIO, Université Paris-Sud, Orsay, França, foi pioneira de uma tecnologia patenteada que combina AFM e espectroscopia de infravermelho (AFM-IR).

Figura 1. A Plataforma nanoIR

Figura 2. Feche acima da vista do prisma e da cabeça de medição AFM

nanoIR Setup

O nanoIR sistema usa um pulsada, fonte ajustável IR para excitar vibrações moleculares em uma amostra que foi montado em um prisma transparente IR (ZnSe). IR fonte do sistema é desenvolvido usando uma tecnologia proprietária que é continuamente ajustável 1200-3600 cm ^-1 cobrindo uma ampla faixa do espectro meados de IR. A absorção de radiação por os resultados da amostra em aquecimento e expansão térmica rápida que provoca oscilações de ressonância do cantilever. O resultado oscilações induzidas em uma ringdown característica, como mostrado na Figura 3.

Figura 3. Esquemático mostrando a técnica por trás da nanoIR

É possível para nanoIR usuários rapidamente pesquisas em regiões de uma amostra através de AFM de imagem e, em seguida, obter espectros químicos de alta resolução em regiões selecionadas na amostra. Conforme mostrado na Figura 4, polímero espectros obtidos a partir do nanoIR sistema têm demonstrado boa correlação com massa infravermelho transformada de Fourier (FT-IR) espectros.

Figura 4. A comparação do espectro gerado pelo nanoIR (vermelho) e convencionais FT-IR (azul) de uma amostra de poliestireno.

Características da Plataforma nanoIR

As características do nanoIR plataforma estão listados abaixo:

• O nanoIR sistema oferece alta resolução de espectros de infravermelho, e dados sobre as propriedades mecânicas da amostra. Isto é realizado, como mencionado acima, através do acompanhamento da freqüência dos modos fundamentais ou superior de ressonância do cantilever.
• A freqüência de contato de ressonância do cantilever está diretamente relacionada com a rigidez da amostra e pode ser usado para mapear o módulo da amostra qualitativamente.
• O nanoIR plataforma também pode realizar a análise térmica em nanoescala utilizando cantilevers romance AFM que integram um elemento de aquecimento resistivo no final cantilever
• Usando estas consolas, juntamente com o sistema permite a medição local da temperatura de transição de materiais em um ponto ou uma matriz de pontos através de uma amostra.
• Isto permite a detecção ou mapeamento do conteúdo amorfa / cristalina, o stress, a extensão da cura, ou características outro material que pode ser caracterizada pela temperatura de transição do material.

Medições de Drop-Cast P3HT e PCBMdoped filmes P3HT

O nanoIR técnica é perfeita para medição de amostras poliméricas em que há variações material local. De acordo com a técnica de amostragem, o material tem que ser depositado como uma fina película sobre um prisma de ZnSe. Por isso os materiais são submetidos a dropcasting da solução diretamente sobre o prisma.

Drop-Casted Film P3HT

É importante notar que nem todas as características de superfície sobre a mesma imagem de AFM partes idênticas características de absorção de infravermelho. Uma área de interesse é mostrado na Figura 5, onde pequenas saliências da ordem de alguns mícrons são vistos.

Figura 5. Point-and-click aquisição espectral sobre uma grande área de um filme fino sobre P3HT um prisma ZnSe

Normalizado ponto-e-clique em IR aquisição espectral revela que apenas alguns pontos ligeiramente ampliado características de absorção, como uma cauda de absorção de comprimento (Espectro 10) e perto do ombro 1.500 centímetros ^{- 1} é menos definida. Em outros pontos, se verificar que rendeu espectros são semelhantes ao material P3HT granel. Em pontos relacionados ao espectro de 12 a 14, vê-se que a absorção ampliou parece estar longe de o recurso de altura. Para melhorar a análise espectral, a região próxima ao espectro de 12-14 foi verificado novamente com uma maior resolução espacial ea imagem relacionada é mostrado na Figura 6 (topo) ea aquisição série espectral obtida depois é mostrado na Figura 6 (abaixo).

Figura 6 A aquisição matriz espectral mostrando a imagem de AFM (superior) e os espectros correspondentes (parte inferior), perto de manchas 14/12 na Fig. 5;. Espaçamento entre cada marcador é de aproximadamente 100 nm

Os espectros são observados cerca de 100 nm e além variações espectrais são vistos dentro da escala de mesmo comprimento (da segunda para a terceira e da quinta para a sexta espectros). Como o ombro em torno de 1500 cm ^-1 desaparece e depois aparece novamente para as setas, o sinal perto de 1.380 centímetros ^-1 parece aumentar. Usando o ™ nanoIR , essas mudanças IR espectral pode ser visto em uma resolução incrivelmente alta espacial.

PCBM dopado com blend P3HT

Neste exemplo, um defeito de superfície é observado na Figura 7, que mostra uma imagem AFM de um tratamento térmico da amostra P3HTPCBM. Os espectros IR localizada específicas para as características da superfície são mostradas diretamente abaixo da imagem.

Figura 7. Imagem AFM e os espectros de uma amostra P3HT tratados termicamente PCBM dopado

Quando o nanoIR espectros é comparado com o nanoIR espectros dos componentes puros, alterações locais são identificados. A flexão de metileno modos de 1444 centímetros ^-1 e 1432 cm ^-1 corresponde à P3HT e PCBM, respectivamente. A banda centímetro 1444 ^-1 também tem uma contribuição a partir de um anel de sobreposição de semicírculo que se estende de modo. O espectro correspondente para a marca amarela hash tem ambos os componentes. No anel externo ou a marca vermelha ou espectro 1, o pico em 1732 centímetros ^-1 (PCBM) é pequena eo componente em 1444 centímetros ^-1 (P3HT) é dominante. Em ambos os verde e roxo marca hash (espectros 3 e 4), a banda quase 1.432 centímetros ^-1 é essencialmente contribuído por PCBM. Finalmente, a nitidez da banda em 1432 centímetros ^-1 e um sinal mais forte centímetro 1732 ^-1 sugerem o lobo no centro é principalmente PCBM.

A rigidez do defeito de superfície em relação à mistura P3HTPCBM podem ser visualizados usando o ™ nanoIR . Quando expostos a uma radiação laser contínua, pulsante IR a 1450 cm ^-1 a freqüência de contato do cantilever é rastreada constantemente como a ponta do AFM move-se através da amostra. Aqui o material a granel (amarela / laranja) aparece mais dura do que a maioria das áreas do interior do defeito (verde).

. Figura 8 Fale imagem de frequência de um defeito química mapeados sobre a imagem altura correspondente, a faixa de freqüência é de aproximadamente 30 kHz (barra de cores:. Aguerrida laranja; profunda marrom - mais suave)

Conclusões

Os dados obtidos a partir da análise mostram a capacidade do ™ nanoIR para analisar um conjunto de materiais fotovoltaicos com alta resolução espacial (~ 100 nm). As características topológicas podem ser ligados a suas assinaturas químicas correspondentes infravermelho. 100 nm resolução espacial pode ser facilmente alcançado em aplicações onde os limites de domínio não são conhecidos. Separação de fases locais de materiais são encontrados, comparando locais nanoIR pectra nos locais de defeito com o espectro maior parte dos componentes puros. Além disso, as freqüências de contato em relação ao redor do defeito são mapeados em simultâneo com a topografia correspondente.

Sobre Anasys Instruments

Anasys Instruments Corporation é a empresa pioneira no campo da sub-100nm informações de propriedade térmica. A tecnologia da empresa e os produtos estão sendo usados ​​para tratar metrologia e análise de desafios nos polímeros, produtos farmacêuticos, de armazenamento de dados, e avançados materiais mercados. Em 2007, foi nomeado como Anasys vencedor de dois prêmios da indústria de prestígio, o R & D 100 Award eo inaugural micro / nano 25 Award, ambos reconhecem Anasys como líderes em tecnologia inovadora.

Fonte: Anasys Instruments

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