Ин ситу формирование CdS и Sb₂S₃ нанокристаллов в P3HT:PC₆₁BM повышает фотток в инвертированных гибридных солнечных элементах

Аннотация

Включение нано-гетероструктур в активный слой объемных гетероструктурных солнечных элементов может заметно улучшить производительность. Здесь мы сообщаем об ин ситу генерации CdS или Sb₂S₃ нанокристаллов в смеси P3HT:PC₆₁BM путем добавления кадмиевого или сурьмяного ксантата прекурсоров в полимерный раствор. При термическом отжиге прекурсоры разлагаются, образуя равномерно диспергированные нанокристаллы, создающие интимный полимер-нанокристаллический интерфейс, улучшающий оптическое поглощение, подвижность дыр и шероховатость поверхности. Приборы с 3 масс.% CdS или Sb₂S₃ демонстрируют КПД 2,91% и 2,92% соответственно — существенно выше обычных P3HT:PC₆₁BM элементов. UV-Vis, SCLC и АФМ исследования подтверждают улучшенный зарядоперенос и морфологические выгоды нанокристаллов, подчеркивая эффективность ин ситу синтеза для высокоэффективных гибридных солнечных элементов.

Введение

Органическая фотоэлектрика (ОФЭ) предлагает легкие, дешевые, гибкие решения, тогда как неорганические полупроводники дают высокую зарядовую подвижность и химическую стабильность. Гибридные солнечные элементы (ГСЭ), комбинирующие эти классы материалов, стремятся использовать лучшее из обоих миров. Традиционные подходы смешивают предварительно синтезированные, лиганд-капсулированные неорганические нанокристаллы с полимерной матрицей, но длинные цепные лиганды создают изолирующие барьеры, а косолвенты могут нарушать упорядочение полимерных цепей, ограничивая зарядоперенос и КПД. Напротив, ин ситу синтез неорганических наночастиц непосредственно в полимерной пленке устраняет поверхнеактивные вещества и косолвенты, способствуя интимному смешению и эффективному фотоиндуцированному зарядопереносу.

Предыдущие работы показывали, что сульфидные нанокристаллы металлов, такие как CdS и Sb₂S₃, могут служить электронными каскадами или допантами, улучшая извлечение зарядов и поглощение света в смесях P3HT:PC₆₁BM. Однако достижение оптимальной загрузки нанокристаллов без компромисса полимерной морфологии остается вызовом.

Методы / Эксперимент

Фабрикация приборов

Инвертированные ГСЭ собирали на структурированном ITO/стекле (10–15 Ом/кв). 10-нм CdS интерфейсный слой спин-наносили из 100 мг/мл хлорбензольного раствора кадмиевого ксантата и отжигали при 160 °C 15 мин под N₂. Активный слой готовили смешиванием 1:1 P3HT:PC₆₁BM (17 мг/мл) с 3 масс.% (или 0, 5, 7 масс.%) соответствующего ксантата прекурсора. Пленку спин-наносили при 600 об/мин, затем отжигали при 160 °C 30 мин для разложения прекурсора в CdS или Sb₂S₃ нанокристаллы. 8-нм MoO₃ дыротранспортный слой и 100-нм Ag анод термически испаряли через шадоевую маску, определяя 0,10 см² активную площадь.

Характеризация

XRD (Cu Kα, 40 кВ) оценивал кристалличность, ТГА (10 °C/мин, N₂) подтверждал разложение прекурсора. UV-Vis поглощение записывали на U-3900H спектрофотометре. Фотоэлектрическая производительность (J-V под 1 солнце, AM 1.5G) измеряли Keithley 2410 в N₂. EQE/IPCE спектры получали с калиброванным Si-детектором. Подвижность дыр извлекали из SCLC измерений на дырочных приборах (ITO/PEDOT:PSS/активный слой/MoO₃/Ag). АФМ (режим таппинга) давал поверхностную морфологию и шероховатость.

Результаты и обсуждение

Термическая стабильность прекурсоров

ТГА показал, что кадмиевый ксантат разлагается 50–150 °C, оставляя ~25% остатка, соответствующего CdS (28%), а сурьманый ксантат — 120–160 °C, давая ~35% остатка, согласного с Sb₂S₃ (35%). Эти профили निर्देशовали условия отжига для полного превращения прекурсора.

Формирование нанокристаллов и морфология

После отжига активный слой показывал желтую или оранжевую окраску, указывающую на CdS или Sb₂S₃ формирование. XRD подтвердил гексагональный/кубический CdS и орторомбический Sb₂S₃ фазы, согласуясь с ТГА. АФМ показал увеличение шероховатости с 2,82 нм (пристينيй) до 8,89 нм (3 масс.% CdS) и 7,13 нм (3 масс.% Sb₂S₃), предполагая нанокристаллически-индуцированные морфологические изменения, улучшающие интерпенетрацию и диссоциацию экситонов.

Фотоэлектрическая производительность

J-V кривые (рис. 3б,в) показывают, что добавление 3 масс.% CdS или Sb₂S₃ повышает ток короткого замыкания (Jsc) с 7,77 мА/см² до 8,72 мА/см² (CdS) или 9,15 мА/см² (Sb₂S₃). Последовательное сопротивление падает с 22,15 Ом·см² до 16,70 Ом·см² (CdS) или 17,50 Ом·см² (Sb₂S₃), улучшая коэффициент заполнения с 0,52 до 0,56 или 0,54. Полученные КПД пикируют 2,91% (CdS) и 2,92% (Sb₂S₃), превосходя контроль (2,34%) и ранее сообщенные CdS-допированные P3HT:PC₆₁BM элементы.

Спектральный отклик и поглощение

IPCE спектры (рис. 4а) демонстрируют более высокие квантовые эффективности по 300–650 нм для нанокристаллически-допированных приборов. При 540 нм IPCE пики достигают 60% (CdS) и 65% (Sb₂S₃) против 55% для чистой смеси. UV-Vis поглощение (рис. 4б) показывает умеренное усиление для CdS и заметное для Sb₂S₃, коррелируя с улучшением Jsc.

Зарядоперенос

SCLC измерения (рис. 5) раскрывают, что подвижность дыр увеличивается с 4,09×10⁻⁵ см²/В·с (пристений) до 1,53×10⁻⁴ см²/В·с (CdS) и 1,69×10⁻⁴ см²/В·с (Sb₂S₃). Улучшенный дыротранспорт балансирует инерентно более высокую электронную подвижность P3HT:PC₆₁BM, снижая рекомбинацию и повышая Jsc и FF.

Поверхностная морфология

АФМ изображения (рис. 6) подтверждают, что 3 масс.% нанокристаллические слои показывают высокую шероховатость, облегчая лучший контакт с MoO₃ дыротранспортным слоем и улучшая извлечение зарядов. Увеличенная интерфейсная площадь способствует наблюдаемым приростам Jsc и FF.

Заключение

Ин ситу синтез CdS или Sb₂S₃ нанокристаллов в матрице P3HT:PC₆₁BM при 3 масс.% допировании дает значительное улучшение оптического поглощения, подвижности дыр и шероховатости поверхности — ключевых факторов, движущих рекордными КПД 2,91% (CdS) и 2,92% (Sb₂S₃) для инвертированных ГСЭ. Этот лиганд-свободный, растворитель-свободный подход предлагает масштабируемый путь к высокоэффективной гибридной фотоэлектрике.