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ソーラー、光起電発電および熱電発電の研究のためのAFM

光起電材料の光伝導性を示すAFMイメージ

光起電(PV; photovoltaic)、熱電(TE; thermoelectric)ならびに関連する材料・デバイスが急速に発展し、さまざまな分野に分岐しています。その内訳は、PVポリマーや、既存の半導体をベースとしたPVデバイス、そして今ではペロブスカイトPV材料に至ります。低コストの再生可能エネルギーがふんだんにあるような未来の実現は、すぐ手の届くところにありますが、次世代太陽光発電(PV)材料の特性評価の改善が必要となります。この取り組みに欠かせないのが、原子間力顕微鏡(AFM)の高分解能イメージングの性能です。アサイラム・リサーチの原子間力顕微鏡は、透明材料、不透明材料、トップおよびボトムからの照明、ユーザー提供の外部光源の使用など、開発のあらゆる段階において、主要なPV材料・デバイスの全タイプに対応したプラットフォームを提供します。アサイラムの電気的特性評価ツールは、弊社が提供する幅広いプラットフォーム組み合わせ、さらに弊社の幅広いソフトウェア・ハードウェアのカスタマイズツールを駆使することで、AFM業界で他に類を見ないものとなっています。

AFMに関する技術的なお問い合わせ

ケルビンプローブフォース顕微鏡 (KPFM; Kelvin Probe Force Microscopy)

  • 光または熱による励起電流の差に基づいて表面接触電位差(CPD; contact potential difference)を正確に測定

電気力顕微鏡 (EFM; Electrostatic Force Microscopy)

  • 局所的な静電容量の勾配の変化をマッピング。このテクニックを使用することにより、光または熱による励起電流の変化を時間の関数として観察可能

走査型マイクロ波インピーダンス顕微鏡 (sMIM; Scanning Microwave Impedance Microscopy)

  • 局所的な静電容量および抵抗の変化をマッピングし、研究者が「浮遊」材料、またはデバイスに組み込まれていないPV材料の光電流を観察することが可能

Conductive AFM (CAFM; Conductive AFM)

  • サンプルに印加したバイアスの関数および照度または温度の関数として、探針を流れる電流を測定

高速フォースマッピングによる電流マッピング

  • 高速フォースカーブにおいて、探針がサンプルに接触している間、サンプルにバイアスを印加して電流を測定。繊細なPV材料にダメージを与えることなく、イメージングが可能

KPFM

    • サンプルへの光照射または加熱時に発生する局所的な電荷(~50-100 nm)の変動における変化を測定
    • 光や熱による局所的な仕事関数の変化の検知
    • nおよびp領域を有する材料における、局部的なドメインのマッピング
    • 電位の変化を観察することで、局所的な光電流または熱電流の経時変化を観察

EFM

    • 光照射後または加熱後の、サンプルの静電容量勾配の経時変化を観察
    • 熱や光で変化するサンプルの、静電容量勾配の変化をマッピング

CAFM

  • 光電流および熱電流を定量的にマッピング
  • サンプルへ光を照射した時のモビリティの変化をマッピング
  • 電流を伴う高速フォースマッピングや高速電流マッピング(FCM; fast current mapping)を使用して、ドメインの電子電荷の変化をマッピング
  • サンプル中の光電流や熱電流の経時測定
  • 太陽光発電用ペロブスカイト材料におけるドメインウォールの電流をマッピング

sMIM

  • 導体、半導体、絶縁体を含む広範囲な線形および非線形材料の特性評価を実施し、PVおよびPTの材料やデバイスの深い領域の観察が可能
  • 材料の誘電率および導電率に基づくコントラストを提供
  • 表面で測定した静電容量変化に基づく埋め込み構造を可視化
  • 絶縁PV材料の光電流および熱電流をマッピング

下のリストより技術資料(英文)のダウンロードをご利用いただけます。
日本語版をご希望の場合にはこちらからご連絡ください。

"Evidence of tunable macroscopic polarization in perovskite films using photo-Kelvin probe force microscopy," L. A. Renna, Y. Liu, T. P. Russell, M. Bag, and D. Venkataraman, Mater. Lett. 217, 308 (2018). https://doi.org/10.1016/j.matlet.2018.01.106

"Orientation of ferroelectric domains and disappearance upon heating methylammonium lead triiodide perovskite from tetragonal to cubic phase," S. M. Vorpahl, R. Giridharagopal, G. E. Eperon, I. M. Hermes, S. A. L. Weber, and D. S. Ginger, ACS Appl. Energy Mater. 1, 1534 (2018). https://doi.org/10.1021/acsaem.7b00330

"High performance perovskite solar cells fabricated under high relative humidity conditions," J. Ciro, R. Betancur, S. Mesa, F. Jaramillo, Sol. Energy Mater Sol. Cells 163, 38 (2017). https://doi.org/10.1016/j.solmat.2017.01.004

"Real-time nanoscale open-circuit voltage dynamics of perovskite solar cells," J. L. Garrett, E. M. Tennyson, M. Hu, J. Huang, J. N. Munday, and M. S. Leite, Nano Lett. 17, 2554 (2017). https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.7b00289

"Morphology controls the thermoelectric power factor of a doped semiconducting polymer," S. N. Patel, A. M. Glaudell, K. A. Peterson, E. M. Thomas, K. A. O'Hara, E. Lim, and Michael L. Chabinyc, Sci. Adv. 3, e1700434 (2017). https://doi.org/10.1126/sciadv.1700434

"Tailoring the energy landscape in quasi-2D halide perovskites enables efficient green-light emission," L. N. Quan, Y. Zhao, F. P. G. de Arquer, R. Sabatini, G. Walters, O. Voznyy, R. Comin, Y. Li, J. Z. Fan, H. Tan, J. Pan, M. Yuan, O. M. Bakr, Z. Lu, D. H. Kim, and E. H. Sargent, Nano Lett. 17, 3701 (2017). https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.7b00976

"Mapping the photoresponse of CH3NH3PbI3 hybrid perovskite thin films at the nanoscale," Y. Kutes, Y. Zhou, J. L. Bosse, J. Steffes, N. P. Padture, and B. D. Huey, Nano Lett. 16, 3434 (2016). https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5b04157

"Grain boundary dominated ion migration in polycrystalline organic–inorganic halide perovskite films," Y. Shao, Y. Fang, T. Li, Q. Wang, Q. Dong, Y. Deng, Y. Yuan, H. Wei, M. Wang, A. Gruverman, J. Shield, and J. Huang, Energy Environ. Sci. 9, 1752 (2016). https://doi.org/10.1039/c6ee00413j

"High-performance and environmentally stable planar heterojunction perovskite solar cells based on a solution-processed copper-doped nickel oxide hole-transporting layer," J. H. Kim, P.-W. Liang, S. T. Williams, N. Cho, C.-C. Chueh, M. S. Glaz, D. S. Ginger, and A. K.-Y. Jen, Adv. Mater. 27, 695 (2015). https://doi.org/10.1002/adma.201404189

"Polymer homo-tandem solar cells with best efficiency of 11.3%," H. Zhou, Y. Zhang, C.-K. Mai, S. D. Collins, G. C. Bazan, T.-Q. Nguyen, and A. J. Heeger, Adv. Mater. 27, 1767 (2015). https://doi.org/10.1002/adma.201404220

"Real-space observation of unbalanced charge distribution inside a perovskite-sensitized solar cell," V. W. Bergmann, S. A. L. Weber, F. J. Ramos, M. K. Nazeeruddin, M. Grätzel, D. Li, A. L. Domanski, I. Lieberwirth, S. Ahmad, and R. Berger, Nat. Commun. 5, 5001 (2014). https://doi.org/10.1038/ncomms6001

"Solvent‐polarity‐induced active layer morphology control in crystalline diketopyrrolopyrrole‐based low band gap polymer photovoltaics," S. Ferdous, F. Liu, D. Wang, and T.P. Russell, Adv. Energy Mater. 4, 1300834 (2014). https://doi.org/10.1002/aenm.201300834

"Ternary blend polymer solar cells with enhanced power conversion efficiency," L. Lu, T. Xu, W. Chen, E. S. Landry, and L. Yu, Nat. Photonics 8, 716 (2014). https://doi.org/10.1038/nphoton.2014.172

"The role of solvent vapor annealing in highly efficient air-processed small molecule solar cells," K. Sun, Z. Xiao, E. Hanssen, M. F. G. Klein, H. H. Dam, M. Pfaff, D. Gerthsen, W. W. H. Wong, and D. J. Jones, J. Mater. Chem. A 2, 9048 (2014). https://doi.org/10.1039/c4Ta01125b

"Effects of molecular weight on microstructure and carrier transport in a semicrystalline poly(thieno)thiophene," A. Gasperini and K. Sivula, Macromolecules 46, 9349 (2013). https://doi.org/10.1021/ma402027v

"Understanding the morphology of PTB7:PCBM blends in organic photovoltaics," F. Liu, W. Zhao, J. R. Tumbleston, C. Wang, Y. Gu, D. Wang, A. L. Briseno, H. Ade, and T. P. Russell, Adv. Energy Mater. 4, 1301377 (2013). https://doi.org/10.1002/aenm.201301377

"Boron subphthalocyanine chloride as an electron acceptor for high‐voltage fullerene‐free organic photovoltaics," N. Beaumont, S. W. Cho, P. Sullivan, D. Newby, K. E. Smith, and T. Jones, Adv. Funct. Mater. 22, 561 (2012). https://doi.org/10.1002/adfm.201101782

"Improved performance of polymer bulk heterojunction solar cells through the reduction of phase separation via solvent additives," C. V. Hoven, X.-D. Dang, R. C. Coffin, J. Peet, T.-Q. Nguyen, and G. C. Bazan, Adv. Mater. 22, E63 (2010). https://doi.org/10.1002/adma.200903677

"Thienyl-substituted methanofullerene derivatives for organic photovoltaic cells," J. H. Choi, K.-I. Son, T. Kim, K. Kim, K. Ohkubo, and S. Fukuzumi, J. Mater. Chem. 20, 475 (2010). https://doi.org/10.1039/b916597e

"Nanocrystalline structure and thermoelectric properties of electrospun NaCo2O4 nanofibers," F. Ma, Y. Ou, Y. Yang, Y. Liu, S. Xie, J.-F. Li, G. Cao, R. Proksch, and J. Li, J. Phys. Chem. C 114, 22038 (2010). https://doi.org/10.1021/jp107488k

"Low band gap polymers based on benzo[1,2-b:4,5-b']dithiophene: Rational design of polymers leads to high photovoltaic performance," S. C. Price, A. C. Stuart, and W. You, Macromolecules 43, 4609 (2010). https://doi.org/10.1021/ma100051v

"Highly efficient solar cell polymers developed via fine-tuning of structural and electronic properties," Y. Liang, D. Feng, Y. Wu, S.-T. Tsai, G. Li, C. Ray, and L. Yu, J. Am. Chem. Soc. 131, 7799 (2009). https://doi.org/10.1021/ja901545q

"Influence of pulsed laser deposition rate on the microstructure and thermoelectric properties of Ca3Co4O9 thin films," T. Sun, J. Ma, Q. Yan, Y. Huang, J. Wang, and H. Hng, J. Cryst. Growth 311, 4123 (2009). https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2009.06.044