Толстый буферный слой LiF с межслойом C60 повышает эффективность полимерных солнечных элементов

Аннотация

Фторид лития (LiF) — проверенный катодный буферный слой (CBL) в объемно-гетероструктурных полимерных солнечных элементах (ПСЭ). Традиционные слои LiF ограничены ~1 нм из-за их диэлектрической природы, что усложняет контроль осаждения и обеспечивает недостаточную защиту базового активного слоя. Мы демонстрируем, что гораздо более толстый слой LiF можно использовать без потери эффективности, введя тонкий межслой C60 между активным материалом и LiF. ПСЭ с билиейром C60 (3 нм)/LiF (5 нм) достигают пиковой КПД 3,65 %, что в два раза выше 1,79 % для однослойного LiF толщиной 5 нм. Повышение производительности обусловлено улучшением электрической проводимости на границе C60/LiF за счет смешения, формированием подэлемента P3HT/C60 и оптическим интервальным эффектом C60. При увеличении толщины LiF до 8 нм билиейр C60/LiF все еще дает КПД 1,10 %, тогда как одиночный LiF показывает пренебрежимо малую активность. Эти результаты подтверждают, что билиейр C60/LiF — надежная альтернатива тонкому LiF с высокой толерантностью к вариациям толщины.

Введение

Растворимые объемно-гетероструктурные полимерные солнечные элементы привлекли значительное внимание благодаря низкой стоимости, гибкости и масштабируемости. Однако их КПД все еще уступает кремневым фотоэлементам. Недавние прорывы, достигнувшие 11–13 %, связаны с новыми донорскими полимерами и нефуллереновыми акцепторами. Кроме того, внедрение анодных или катодных буферных слоев (ABL/CBL) может дополнительно повысить характеристики устройств.

В обычных ПСЭ ИОТ-анод дополняется катодным буфером с низкой работой выхода, таким как Ca. К сожалению, Ca легко окисляется, ухудшая стабильность. Фторид лития (LiF) широко используется как CBL, так как создает межфазный диполь, снижающий работу выхода катода. Тем не менее, диэлектрическая природа LiF ограничивает его практическую толщину менее 2 нм, обычно ~1 нм, что делает точное осаждение сложным и обеспечивает неадекватную защиту при испарении металла.

Для преодоления этих ограничений мы ранее сообщали о многослойном стеке C60/LiF, сохраняющем высокую проводимость даже при толстых слоях LiF, но последовательность осаждения была сложной и дорогой. В этой работе мы упрощаем архитектуру, используя единственный билиейр C60/LiF. Осаждая межслой C60 перед LiF, мы можем использовать более толстый LiF без потери эффективности. Устройства с C60 (25 нм)/LiF (1–6 нм) сохраняют ~3 % КПД, в то время как 5-нм LiF в одиночку дает резкое падение. Пиковая эффективность 3,77 % для билиейра на ~23 % выше 3,06 % для устройств только с LiF, демонстрируя превосходство билиейра.

Методы

Фабрикация ПСЭ

ИОТ-подложки (Delta Technologies, LTD) очищали в ацетоне и изопропиловом спирте (ИПА) ультразвуком (по 5 мин), затем обрабатывали O2-плазмой (60 с) для гидрофильности. Отфильтрованный PEDOT:PSS (Clevios PH 500, H.C. Starck) наносили центрифугированием при 2000 об/мин 50 с и выдерживали при 110 °C 20 мин в азоте. Образцы переносили в перкатушечный бокс с N2 (<0,1 ppm O2/H2O) для осаждения фотоактивного слоя.

P3HT (Rieke Metals Inc., 4002-EE, 91–94 % регулярности) и PCBM (American Dye Source, >99,5 % чистоты) растворяли в хлорбензоле в массовом соотношении 1:1. Раствор фильтровали (0,45 мкм) и наносили на PEDOT:PSS при 1000 об/мин 50 с, затем термически отжигали при 130 °C 20 мин. Этот процесс дает активный слой ~160 нм (профилометр Dektek). Последовательная термическая эвапорация (базовое давление 1×10⁻⁶ мбар) осаждала C60, LiF и Al (75 нм). Круговая маска 1 мм определяла активную площадь перед осаждением Al.

Характеризация

Вольтамперные характеристики (J-V) измеряли прибором Keithley 2400 под моделированием AM 1.5 G (100 мВт/см²), откалиброванным по эталонному кремневому элементу. Измерения проводили в перкатушке. АФМ-изображения получали в таппинг-режиме на Veeco Dimension-Icon. UV/Vis-спектры регистрировали на Varian Cary 50. Фотоиндуцированное извлечение заряда линейно нарастающим напряжением (Photo-CELIV) выполняли на ПСЭ в обычных условиях: импульсный N2-лазер (337,1 нм, 1,4 нс) генерировал носители, затем обратное смещение после задержки 100 мкс. Токи записывали цифровым осциллографом (50 Ом вход). Подвижность зарядников (μ) вычисляли по стандартному уравнению Photo-CELIV: μ = (2d²)/(3At_max²[1+0,36Δj/j(0)]).

Результаты и обсуждение

Рисунок 1 показывает J-V кривые ПСЭ с и без межслоя C60 между активным слоем и 5-нм буфером LiF. Устройства без C60 демонстрируют выраженную S-образную кривую, приводящую к низкому коэффициенту заполнения (FF) и сниженному КПД, несмотря на нормальные Jsc и Voc. S-образность возникает из-за диэлектрической природы LiF, увеличивающей последовательное сопротивление (Rs) и уменьшающей параллельное (Rsh). Введение 3-нм слоя C60 устраняет S-образность и повышает FF с 32,4 % до 56,3 %. FF достигает пика 67 % при 8-нм C60, затем слегка снижается. Соответствующий КПД растет до 3,65 %, в два раза превышая 1,79 % для LiF-только устройства. Параметры устройств высоковоспроизводимы (стандартные отклонения <0,2 %), подтверждая надежность результатов.

АФМ-анализ (Рисунок 2) показывает, что слой C60 образует крупные сферические агрегаты, тогда как LiF осаждается в виде мелких островков. Когда 5-нм LiF испаряют на 35-нм C60, базовые C60-агрегаты остаются частично открытыми, приводя к смешению на границе C60/LiF. Эта смешанная морфология создает перколяционную сеть, повышающую электрическую проводимость билиейра, что подтверждается улучшением FF.

Рисунок 3 сравнивает устройства с одиночным LiF CBL и билиейром C60/LiF при варьировании толщины LiF от 0,5 до 8 нм. Устройства только с LiF достигают макс. КПД 3,06 % при 1 нм, но характеристики резко падают до 0,79 % (6 нм) и 0,06 % (8 нм). В отличие от этого, билиейры C60 (25 нм)/LiF сохраняют высокие эффективности: 3,77 % при 1 нм, 2,65 % при 6 нм и 1,10 % при 8 нм. Улучшение обусловлено более высоким FF и Jsc благодаря снижению Rs. Измерения Photo-CELIV (Рисунок S1) показывают, что билиейр C60/LiF увеличивает подвижность электронов на порядок по сравнению с LiF в одиночку, подтверждая улучшенный зарядовый транспорт.

Дополнительный анализ показывает, что межслой C60 также повышает Jsc за счет формирования подэлемента P3HT/C60 и действия в качестве оптического интервала. Устройства с ITO/PEDOT:PSS/P3HT/C60 (25 нм)/LiF/Al и варьируемой толщиной P3HT демонстрируют, что Jsc достигает пика при P3HT ~10 нм, соответствующем длине диффузии экситонов в P3HT (~10 нм). Этот эффект дает дополнительный прирост ~1 мА/см² в Jsc билиейр-устройств.

Моделирование распределения электрического поля (Рисунок S2a) показывает, что включение C60 ослабляет поле на коротких волнах, но усиливает на длинных, приводя к красносмещенному профилю поглощения. Оптические спектры (Рисунок S2b) подтверждают, что билиейр C60/LiF не вносит дополнительного поглощения в видимой области, но усиливает поглощение в окнах 400–510 нм и 580–680 нм. IPCE-измерения (Рисунок S2c) показывают незначительное снижение на коротких волнах (из-за паразитного поглощения C60), но заметный рост на длинных, отражая оптический интервальный эффект и вклад подэлемента.

Когда LiF достигает 8 нм, КПД билиейра падает до 1,10 % из-за роста Rs. АФМ-изображения (Рисунок S3) показывают, что при этой толщине LiF полностью покрывает C60-агрегаты, препятствуя смешению и создавая блокирующий слой, затрудняющий извлечение электронов. Следовательно, билиейр остается более толерантным к вариациям толщины LiF, чем одиночный слой.

Заключение

Мы показали, что толстый буферный слой LiF можно успешно использовать в ПСЭ P3HT:PCBM, введя межслой C60. Билиейр C60 (25 нм)/LiF (5 нм) дает пиковый КПД 3,65 %, вдвое превышающий LiF-только устройство (1,79 %). Прирост производительности обусловлен более высоким FF — благодаря проводимой границе C60/LiF — и умеренным ростом Jsc от подэлемента P3HT/C60 и оптического интервального эффекта. Даже при 8 нм LiF билиейр сохраняет КПД 1,10 % против 0,06 % для LiF в одиночку. Падение при 8 нм связано с отсутствием смешения и результирующим барьером для электронного транспорта. В целом, билиейр C60/LiF предлагает простой, экономичный путь к надежным высокоэффективным ПСЭ с ослабленными требованиями к толщине LiF.