Пересеченческое КПФМ раскрывает потенциальную впадину и шотткиевский барьер в толстых объемно-гетерогенных солнечных элементах PCDTBT:PCBM

Аннотация

Метод микроскопии Кельвина (КПФМ) использован для картирования поперечного распределения потенциала в объемно-гетерогенном (БГ) солнечном элементе на основе PCDTBT:PCBM с высоким напряжением холостого хода. Обнаружено, что падение потенциала локализовано в области катодного интерфейса, что подтверждает p-тип проводимости фотоактивного слоя. В центральной области без поля измеренные потенциалы подчиняются логнормальному распределению, указывая на широкий энергетический беспорядок, способный захватывать дырочки и усиливать бимолекулярную рекомбинацию. Шотткиевский барьер на анодном интерфейсе дополнительно препятствует извлечению зарядов, в то время как градиент потенциала в области обеднения может смягчить впадину, снижая барьер для захваченных носителей заряда.

Введение

Органическая фотоэлектрика (ОФ) обещает низкозатратные гибкие солнечные решения, однако их коммерческая жизнеспособность зависит от достижения коэффициентов преобразования энергии (КИЭ) выше 10 %. Недавний прогресс обусловлен новыми донорно-акцепторными материалами и оптимизированными протоколами fabricación. Классическая пара P3HT:PCBM показала КИЭ 3–5 %, но более толстые активные слои, необходимые для более высокого поглощения света, страдают от сниженной эффективности сбора зарядов из-за увеличения рекомбинации и энергетического беспорядка.

Пересеченческое КПФМ дает наномасштабное представление о внутренних электрических полях и потенциальных ландшафтах, однако большинство исследований фокусировались на системе P3HT:PCBM. Здесь мы расширяем этот подход на БГ PCDTBT:PCBM, материал, демонстрирующий близкий к единице внутренний квантовый выход в тонких устройствах, но теряющий производительность в более толстых пленках.

Методы

Материалы и изготовление устройств

PCDTBT (донор) и растворимый PCBM (акцептор) наносились центрифугированием для формирования активных слоев толщиной 70–150 нм на 20-нм дырочково-транспортном слое (ДТС) PEDOT:PSS на ИТО. Катоды из алюминия осаждались в высоком вакууме. Для КПФМ активный слой толщиной 200 нм на высокопроводящем аноде PEDOT:PSS расклевали в жидком азоте для получения гладкого поперечного сечения.

Электрическая и КПФМ-характеризация

Вольт-амперные характеристики (J–V) регистрировались прибором Keithley 236 под освещением AM 1.5G (100 мВт/см²). КПФМ (n-Tracer Nanofocus) проводилась в сухом азоте; топография АФМ и частотно-модулированная КПД одновременно измерялись Pt/Ir-покрытым консолидлером (350 кГц).

Результаты и обсуждение

Зависимость фотоэлектрических характеристик от толщины

Увеличение толщины активного слоя сдвигает ток короткого замыкания (J_SC) из-за интерференционных эффектов, в то время как напряжение холостого хода (V_OC) остается постоянным, указывая на неизменный встроенный потенциал. Однако коэффициент заполнения (FF) стабильно снижается с увеличением толщины, отражая ухудшение сбора зарядов.

Пересеченческое картирование потенциала

Топография КПФМ (рис. 3a) показывает гладкое расколотую поверхность с шероховатостью <200 нм RMS. Фазовое изображение (рис. 3b) выделяет границу PEDOT:PSS/PCDTBT:PCBM. Карта контактной разности потенциалов (КРП) (рис. 3c) демонстрирует крутое падение потенциала, ограниченное катодной стороной (≈70 нм), характерное для области обеднения. Средняя область у анода свободна от поля, подтверждая, что БГ ведет себя как эффективный p-тип полупроводник.

У анодного интерфейса наблюдается выраженная потенциальная впадина (рис. 3c). Для подтверждения её пространственной протяженности 촬영или более крупную область (рис. 4). Изображение КРП показывает случайные яркие и темные пятна по всему БГ, указывая на широкий энергетический беспорядок, подчиняющийся логнормальному распределению (рис. 4d). Длинный хвост распределения (σ ≈ 400 мэВ) свидетельствует о высокой плотности глубоких ловушечных состояний, способных захватывать дырочки и увеличивать бимолекулярную рекомбинацию.

Энергетическая диаграмма и последствия

Измеренные потенциалы преобразуются в энергетическую диаграмму (рис. 5a), где анод PEDOT:PSS образует 0,4 эВ шотткиевский барьер с глубоким HOMO PCDTBT. Этот барьер удлиняет время пребывания дырочек, повышая вероятность рекомбинации. Потенциальная впадина в безполевой области (рис. 5b) является проявлением дипольно-индуцированного изгиба зон, вызванного распределением ловушек для дырочек. Если бы активный слой был тоньше (≈70 нм), поле обеднения перекрывало бы впадину, эффективно снижая шотткиевский барьер (эффект понижения шотткиевского барьера) и облегчая извлечение зарядов.

Замена PEDOT:PSS на ДТС с большей работой выхода (например, MoOx) превратит анодный переход в омический контакт, дальнейшее улучшение эффективности извлечения. Тем не менее, внутренний энергетический беспорядок остается узким местом для толстых устройств, подчеркивая важность тонких качественных активных слоев или продвинутой интерфейсной инженерии.

Заключение

Пересеченческое КПФМ толстых БГ-элементов PCDTBT:PCBM выявило шотткиевский барьер на аноде и логнормально распределенную потенциальную впадину в безполевой области. Эти особенности захватывают дырочки и усиливают бимолекулярную рекомбинацию, объясняя наблюдаемое снижение коэффициента заполнения для более толстых пленок. Стратегии митигации включают использование ДТС с большей работой выхода для устранения шотткиевского барьера и проектирование устройств с толщиной активного слоя, сравнимой с шириной области обеднения, для подавления потенциальной впадины через эффект понижения шотткиевского барьера.

Аббревиатуры

БГ

Объемно-гетерогенный переход

КРП

Контактная разность потенциалов

EIS

Электрохимическая импедансная спектроскопия

FWHM

Полная ширина на полувысоте

ДТС

Дырочково-транспортный слой

IQE

Внутренний квантовый выход

КПФМ

Микроскопия Кельвина

P3HT

Поли(3-гексилтиофен)

PCBM

[6,6]-Фенил-C60-бутирический метиловый эфир

PCDTBT

Поли[N-9'-гептадеканил-2,7-карбазол-alt-5,5-(4',7'-ди-2-тиенил-2',1',3'-бензотиадиазол)]

КИЭ

Коэффициент преобразования энергии

TOF

Время полета

Voc

Напряжение холостого хода