使用原子力显微镜对有机光伏材料进行同步定量电导率与力学性能测量

以下实验的总体目标是通过将形貌与电学性能相关联，理解相分离的富勒烯聚合物共混物中的导电机制。聚合物共混物的形貌和电学性能是决定其在有机太阳能电池内部性能的两个主要因素。通过使用配备自制控制器和数据采集系统的原子力显微镜，对样品的力学和电学性能进行同步测量，从而实现形貌与样品电学性能之间的关联分析。

该方法用于采集原子力显微镜探针与样品表面之间作用力随距离变化的空间分辨数据，以及探针与样品之间电流随距离变化的空间分辨数据；随后，对扫描每个点采集到的力-距离曲线和电流-距离曲线进行自动分析，从而生成高分辨率的接触、刚度、脱附力和电流分布图。接下来，应用近似的接触力学模型，对接触、刚度和电流数据进行数学转换，以获得样品的杨氏模量和电阻。

该结果基于力学特征识别样品中各相区的化学性质，同时通过力学与电学性能的同步测量，定量分析共混物中富聚合物相与富富勒烯相的导电性差异。该方法有助于解答有机太阳能电池领域中的关键问题，例如通过理解活性层形貌对电池性能的影响，揭示电池效率与稳定性之间的关系，以及活性层相组分与电学性能之间的关联。此外，该方法还可应用于其他体系，如有机电子材料和电池。

该技术相较于其他电导率测绘方法的主要优势在于，几乎完全消除了探针与样品接触面积的不确定性。这意味着您能够更清晰地了解界面特性。准备样品以进行信号采集。

从一个没有顶部电极的 P3HT:PCBM 聚合物太阳能电池样品开始。将该样品安装到带有外部电连接器的样品台中，用于原子力显微镜检测。接着，将样品台连接至配备 NanoScope V 控制器的商用多模式原子力显微镜。

将导电探针安装到原子力显微镜探针 holder 中，并将该 holder 安装至显微镜上。然后将探针组件连接至外部电流放大器。电流放大器的输出端接入数字采集卡。

仅使用探针在A FM探针、样品与A FM电压源之间建立电连接。务必将A FM偏转输出、力信号、样品高度输出以及距离信号连接至数字采集卡。将数字采集卡的采样率设置为每秒250,000个样本，采样时间设置为1秒。

接下来，在原子力显微镜探针与太阳能电池电极样品之间施加所需偏压。本实验中研究了正6伏和负10伏两种条件。现在将原子力显微镜设置为峰值力模式运行，以30纳牛的峰值力设定值、300纳米的支撑振荡幅度、2千赫兹的支撑振荡频率、1赫兹的扫描速率以及512×512像素的分辨率采集形貌数据。

来自 A FM 探针的电流信号中的噪声水平可能干扰良好的信号采集。如果存在此问题，可尝试采用不同的布线方案来连接 A FM 探针的电流放大器和电压源。在采集形貌数据的同时，并行采集力-距离曲线和电流-距离曲线。此处使用 LabVIEW 实现该操作。

使用Matlab控制实验。数据分析首先将带时间戳的实时力和距离信号读入MATLAB。根据所用设置，生成2000条力-距离曲线和距离-电流曲线。

对于第一条扫描线，曲线数量取决于支撑振荡频率和扫描速率。图中显示了一条代表性曲线，其中蓝色表示受迫距离数据，接触刚度由图中定义的角度 alpha 给出，以及脱附力的数值。还展示了反应过程中力的第一个极小值，根据每条曲线可确定接触刚度和脱附力。

图中红色曲线表示力电流数据，当支撑开始振荡的回缩阶段直至探针与表面分离时，电流的平均值被称为该电流值，其数值已在图中显示。对于这些数据，需确定每条曲线的该电流值以完成分析。对于接触刚度、脱离力和电流图的第一条扫描线，通过对每种参数的2000个等间距数据点进行插值，重采样为512个点，以与形貌信号匹配。

对全部 512 条扫描线重复上述步骤。左上角显示的是地形测量结果的示例图像，右上角为具有空间分辨的脱附力测量结果。

左下角显示的是接触刚度。右下角显示的是样品在负10伏电压下的电流，该样品为无上电极的P3HT:PCBM聚合物太阳能电池，图像尺寸为10微米×10微米。通过考虑原子力显微镜（AFM）探针与表面之间接触面积的变化，可以消除脱附力、接触刚度和电流图像之间的相关性。

实验过程中，利用数据和显示的方程求出杨氏模量 E 和电阻率 ρ。变量定义见本文所示文本方案，其中计算了之前所示样品的杨氏模量。偏置电压为 -10 伏。

两种具有不同杨氏模量的区域明显可见。富含聚合物的区域呈蓝色，富含填料的区域呈深红色。电阻率图谱提供了关于太阳能电池各层之间电连接性的信息。

以下是同一样品另一区域的空间分辨杨氏模量和电阻率结果。此次施加六伏偏压时，白色箭头指向完全富集的区域。请注意，电阻率随偏压极性的变化而发生切换。

当施加负偏压时，这些区域具有较低的电阻率，而当施加正偏压时，则具有较高的电阻率。按照此步骤，还可进行其他方法，如功率转换效率测量或完整太阳能电池的效率测量，以回答更多问题，例如有机太阳能电池中活性层形貌与器件性能之间的相关性。