LiF 5-nm sebagai Lapisan Penyangga Katoda yang Efisien dalam Sel Surya Polimer Melalui Cukup Memperkenalkan Interlayer C60

Hasil dan Diskusi

Gambar 1 menunjukkan J -V karakteristik, direkam di bawah 100 mW/cm ² penerangan (AM 1.5 G), dari PSC dengan dan tanpa ketebalan C₆₀ . yang berbeda terjepit di antara lapisan aktif dan lapisan LiF setebal 5 nm. Perangkat tanpa C₆₀ lapisan menunjukkan kurva berbentuk S, menghasilkan faktor pengisian rendah (FF) dan oleh karena itu PCE rendah, meskipun kerapatan arus hubung singkat tipikal (J _sc ) dan tegangan rangkaian terbuka (V _ok ). FF rendah dirasionalisasikan dalam hal properti isolasi LiF, yang menghalangi injeksi/ekstraksi elektron ketika lapisan LiF terlalu tebal dan dengan demikian menyebabkan resistansi seri yang besar (R _s ) dan hambatan shunt kecil (R _sh ) perangkat seperti yang ditunjukkan pada Tabel 1 (R _s dan R _sh dihitung dari kemiringan terbalik foto J -V kurva pada 0 mA/cm ² dan 0 V, masing-masing). Adapun J _sc , nilai normal (9,23 mA/cm ² ) menyiratkan bahwa muatan listrik bawaan di dalam perangkat (dari perbedaan fungsi kerja antara anoda dan katoda) cukup untuk mempromosikan transpor elektron melalui LiF (5 nm) CBL dengan tunneling. Setelah memperkenalkan C₆₀ setebal 3-nm lapisan antara lapisan P3HT:PCBM dan LiF (5 nm), bentuk-S menghilang dan FF meningkat secara signifikan dari 32,4 menjadi 56,3%. Peningkatan FF muncul dari pengurangan R _s , yang menyiratkan bahwa C₆₀ (3 nm)/LiF (5 nm) bilayer memiliki konduktivitas listrik yang lebih baik daripada lapisan tunggal LiF (5 nm). Dengan peningkatan C₆₀ ketebalan, FF pertama meningkat, mencapai nilai maksimum 67% pada 8 nm dan kemudian sedikit menurun dengan semakin meningkatnya C₆₀ ketebalan. Karena pemulihan FF, C₆₀ Perangkat berbasis /LiF (5 nm) menunjukkan PCE maksimum 3,65%, yang dua kali lebih tinggi dari (1,79%) perangkat khusus LiF (5 nm). Untuk mendemonstrasikan reproduktifitas hasil, parameter fotovoltaik rata-rata dan deviasi standar perangkat yang dipelajari dihitung dari kumpulan lima perangkat, seperti yang ditunjukkan dalam File tambahan 1:Tabel S1. Untuk setiap perangkat, semua parameter termasuk J _sc , V _ok , FF, dan PCE sangat dapat direproduksi dengan sedikit variasi, yang memvalidasi keandalan hasil yang disajikan pada Tabel 1.

J -V karakteristik, direkam di bawah 100 mW/cm ² penerangan (AM 1.5 G), dari PSC dengan dan tanpa ketebalan C₆₀ . yang berbeda disisipkan di antara P3HT:PCBM dan lapisan LiF setebal 5 nm

Untuk mengetahui alasan yang menyebabkan tingginya FF untuk C₆₀ PSC berbasis /LiF (5 nm), pengukuran AFM dilakukan untuk memeriksa morfologi lapisan LiF pada C₆₀ permukaan. Gambar 2 menunjukkan gambar ketinggian (atas) dan fase (bawah), yang direkam dengan mode ketuk AFM, dari film P3HT:PCBM tanpa dan dengan C₆₀ (35 nm), LiF (5 nm), dan C₆₀ (35 nm)/LiF (5 nm) lapisan disimpan di atas (ukuran gambar 500 nm × 500 nm). Film P3HT:PCBM murni menunjukkan permukaan yang sangat halus dengan kekasaran root-mean-square (rms) rendah 0,81 nm (gambar tinggi) dan menunjukkan domain kristal fibrilar P3HT (gambar fase) [29]. Setelah menyetorkan C₆₀ setebal 35 nm dan LiF setebal 5 nm di bagian atas, kekasaran rms masing-masing meningkat menjadi 1,36 dan 1,67 nm. Meskipun tidak ada perbedaan yang signifikan dalam kekasaran rms antara C₆₀ . atas dan lapisan LiF, morfologi permukaan kedua film ini sangat berbeda. C₆₀ . setebal 35 nm menunjukkan agregat yang lebih besar (bentuk bola) dibandingkan dengan LiF setebal 5 nm, yang juga dapat diamati dalam gambar fasenya. Saat menyetorkan C₆₀ (35 nm)/LiF (5 nm) bilayer pada film P3HT:PCBM, keduanya C₆₀ (ukuran besar) dan agregat LiF (ukuran kecil) diamati, menunjukkan bahwa C₆₀ yang mendasarinya lapisan tidak sepenuhnya tertutup oleh LiF setebal 5 nm. Oleh karena itu, beberapa pencampuran terjadi pada C₆₀ /LiF antarmuka, yang menghasilkan konduktivitas listrik yang baik dari C₆₀ /LiF (5 nm) bilayer dengan mempertimbangkan jalur perkolasi yang dibentuk oleh C₆₀ molekul.

Mode tap AFM tinggi (atas) dan fase (bawah) gambar P3HT:PCBM, P3HT:PCBM/C₆₀ (35 nm), P3HT:PCBM/LiF (5 nm), dan P3HT:PCBM/C₆₀ (35 nm)/LiF (5 nm) film. Kekasaran akar-rata-rata-kuadrat (rms) yang sesuai adalah 0,81, 1,36, 1,67, dan 2,18 nm, masing-masing

Untuk menyelidiki lebih lanjut pengaruh C₆₀ /LiF menggandakan CBL pada kinerja perangkat PSC, kami memperbaiki C₆₀ ketebalan pada nilai optimal 25 nm sambil mengubah ketebalan LiF dari 0,5 menjadi 8 nm. Sebagai perbandingan, perangkat dengan CBL tunggal LiF juga dibuat. Gambar 3 menunjukkan J -V karakteristik, direkam di bawah 100 mW/cm ² iluminasi (AM 1.5 G), dari PSC menggunakan LiF single dan C₆₀ /LiF CBL ganda dengan ketebalan LiF yang bervariasi. Parameter fotovoltaik perangkat yang sesuai dirangkum dalam Tabel 2. Perangkat dengan CBL tunggal LiF memiliki PCE maksimum 3,06% pada ketebalan LiF optimal 1 nm. Peningkatan ketebalan lebih lanjut menyebabkan penurunan cepat pada PCE menjadi 0,79% pada 6 nm dan 0,06% pada 8 nm. Sebaliknya, perangkat dengan C₆₀ (25 nm)/CBL ganda LiF menunjukkan peningkatan kinerja dengan efisiensi puncak 3,77% pada ketebalan LiF 1 nm. Lebih penting lagi, saat ketebalan meningkat menjadi 6 dan 8 nm, PCE masing-masing mencapai 2,65 dan 1,10%, yang secara signifikan lebih tinggi daripada perangkat khusus LiF. Harus disebutkan bahwa hasil yang disajikan pada Tabel 2 juga sangat dapat direproduksi, seperti yang ditunjukkan oleh deviasi standar yang sangat kecil dari parameter karakteristik perangkat (File tambahan 1:Tabel S2). Misalnya, standar deviasi efisiensi perangkat kurang dari 0,2% (0,1% untuk sebagian besar perangkat), menunjukkan reproduktifitas tinggi. Selanjutnya, rata-rata PCE menunjukkan tren yang sama seperti yang diamati pada Tabel 2, yang menyiratkan bahwa perbandingan efisiensi antara kelompok yang berbeda dapat diandalkan.

J -V karakteristik, direkam di bawah 100 mW/cm ² iluminasi (AM 1,5 G), dari PSC menggunakan a LiF tunggal dan b C₆₀ (25 nm)/LiF double CBL dengan ketebalan LiF yang berbeda

Seperti yang ditunjukkan pada Tabel 2, peningkatan PCE untuk C₆₀ (25 nm)/PSC berbasis LiF terutama timbul dari peningkatan FF dan J _sc karena berkurangnya R _s . Untuk lebih memahami R _s reduksi, kami menyelidiki sifat pengangkutan muatan dari lapisan tunggal LiF dan C₆₀ /LiF bilayer menggunakan teknik foto-CELIV [30, 31]. File tambahan 1:Gambar S1 menunjukkan transien arus foto-CELIV, direkam pada kecepatan kenaikan tegangan yang bervariasi, untuk PSC dengan LiF tunggal dan C₆₀ /LiF CBL ganda. Dalam foto-CELIV, waktu ekstraksi maksimum saat ini (t _maks ) digunakan untuk memperkirakan mobilitas pembawa muatan menurut Persamaan. 1 [27]. Mobilitas yang dihitung dari perangkat khusus LiF (6 nm) adalah 3,71, 3,40, dan 3,59 × 10 ^− 5 cm ² V ^− 1 s ^− 1 untuk kemiringan tegangan masing-masing 10, 20, dan 30 kV/s, menyiratkan bahwa mobilitas tidak bergantung pada kecepatan kenaikan tegangan. Sebaliknya, perkiraan mobilitas C₆₀ (25 nm)/LiF (6 nm) perangkat berbasis 3,81, 3,56, dan 3,09 × 10 ^− 4 cm ² V ^− 1 s ^− 1 untuk kemiringan tegangan masing-masing 10, 20, dan 30 kV/s, yang satu urutan besarnya lebih tinggi daripada perangkat khusus LiF (6 nm). Peningkatan mobilitas setelah memperkenalkan C₆₀ lapisan dapat dikaitkan dengan peningkatan konduktivitas listrik yang timbul dari pencampuran yang terjadi pada C₆₀ /LiF antarmuka. Selain itu, perlu diperhatikan bahwa puncak foto-CELIV untuk perangkat khusus LiF (6 nm) lebih lebar daripada untuk C₆₀ (25 nm)/LiF (6 nm) perangkat berbasis, yang menunjukkan transportasi muatan yang lebih dispersif yang dihasilkan dari ketidakseimbangan yang lebih besar antara mobilitas elektron dan lubang [32, 33]. Ketidakseimbangan ini dikaitkan dengan mobilitas elektron yang sangat rendah untuk perangkat khusus LiF (6 nm) mengingat ekstraksi elektron terhalang oleh lapisan LiF yang tebal. Akumulasi elektron pada antarmuka P3HT:PCBM/LiF menyaring medan listrik yang diterapkan dan dengan demikian mengurangi laju ekstraksi muatan di perangkat. Sebaliknya, puncak sempit untuk C₆₀ Perangkat berbasis (25 nm)/LiF (6 nm) menyiratkan keseimbangan mobilitas elektron dan lubang serta ekstraksi elektron yang ditingkatkan karena konduktivitas yang baik dari C₆₀ (25 nm)/LiF (6 nm) bilayer.

Selain peningkatan signifikan dalam FF, J _sc sedikit ditingkatkan setelah penggabungan C₆₀ (25 nm) lapisan. Mempertimbangkan bahwa film campuran P3HT:PCBM spin-coated terdiri dari wilayah kaya P3HT di dekat permukaan atas [34, 35], kami berspekulasi bahwa rangsangan yang dihasilkan di wilayah ini dapat dipisahkan pada P3HT/C₆₀ antarmuka untuk C₆₀ (25 nm)/perangkat berbasis LiF, yang mengarah pada peningkatan J _sc dibandingkan dengan perangkat tanpa C₆₀ antar lapisan. Untuk memverifikasi spekulasi ini, kami membuat PSC dengan struktur perangkat ITO/PEDOT:PSS/P3HT/C₆₀ (25 nm)/LiF/Al, dengan ketebalan P3HT bervariasi dari 5 hingga 100 nm. Gambar 4 menunjukkan J-V karakteristik perangkat ini di bawah 100 mW/cm ² iluminasi (AM 1,5 G), dan parameter fotovoltaik yang sesuai dirangkum dalam File tambahan 1:Tabel S3. Ditemukan bahwa J _sc dari P3HT/C₆₀ sel surya berbasis meningkat saat ketebalan P3HT menurun, yang dirasionalisasikan dalam hal panjang difusi eksiton terbatas di P3HT (~ 10 nm). J _sc mencapai nilai maksimum 1,34 mA/cm ² pada ketebalan P3HT 10 nm dan kemudian turun dengan penurunan ketebalan lebih lanjut hingga 5 nm karena penyerapan yang tidak mencukupi. Seperti disebutkan di atas, P3HT/C tersebut₆₀ subsel kemungkinan besar terbentuk setelah menyetorkan C₆₀ . setebal 25-nm di atas lapisan aktif P3HT:PCBM, yang menghasilkan 1,34 mA/cm ² peningkatan J _sc dalam kondisi ideal untuk C₆₀ /Perangkat berbasis LiF [36]. Dengan membandingkan J _sc nilai perangkat dengan dan tanpa C₆₀ (25 nm) interlayer, peningkatan dalam J _sc sekitar 1 mA/cm ² (kecuali untuk perangkat berbasis LiF (8 nm), yang sesuai dengan spekulasi kami.

J -V karakteristik PSC dengan struktur perangkat ITO/PEDOT:PSS/P3HT (x nm)/C₆₀ (25 nm)/LiF (1 nm)/Al menggunakan berbagai ketebalan P3HT

Setelah memperkenalkan C₆₀ antara lapisan P3HT:PCBM dan LiF, distribusi medan optik di dalam sel surya kemungkinan besar diubah, yang akan menyebabkan variasi dalam J _sc [26, 37]. Untuk menyelidiki efek ini, pertama-tama kami mensimulasikan intensitas medan listrik di dalam lapisan aktif P3HT:PCBM untuk perangkat dengan dan tanpa C₆₀ antar lapisan. Seperti yang ditunjukkan pada File tambahan 1:Gambar S2a, intensitas medan terintegrasi untuk perangkat yang menggabungkan C₆₀ lapisan lebih lemah di wilayah panjang gelombang pendek dan lebih kuat di wilayah panjang gelombang panjang dibandingkan dengan perangkat tanpa C₆₀ antar lapisan. Tren ini menjadi lebih luar biasa, dan secara bersamaan, pergeseran merah diamati dengan meningkatnya C₆₀ ketebalan. File tambahan 1:Gambar S2b menunjukkan spektrum serapan C₆₀ . murni film, dan film P3HT:PCBM dengan dan tanpa CBL yang berbeda disimpan di atasnya. Membandingkan spektrum serapan P3HT:PCBM/C₆₀ (25 nm) film dengan dan tanpa LiF setebal 8 nm, kedua kurva tumpang tindih hampir sepenuhnya, menunjukkan bahwa LiF tidak menyerap cahaya tampak. Di sisi lain, P3HT:PCBM/C₆₀ film memiliki penyerapan yang lebih tinggi dalam rentang panjang gelombang 400~510 nm dan 580~680 nm jika dibandingkan dengan film P3HT:PCBM yang murni. Peningkatan penyerapan ini menjadi lebih jelas dengan meningkatnya C₆₀ ketebalan. Secara intuitif, peningkatan penyerapan dalam rentang panjang gelombang 400~510 nm muncul dari C₆₀ penyerapan (400~550 nm). File tambahan 1:Gambar S2c menunjukkan spektrum efisiensi konversi foton-ke-arus (IPCE) insiden dari PSC dengan LiF (5 nm) tunggal dan C₆₀ (25 nm)/LiF (5 nm) CBL ganda. Dibandingkan dengan perangkat khusus LiF, perangkat dengan C₆₀ /LiF double CBL memiliki IPCE yang lebih rendah pada panjang gelombang pendek karena penyerapan parasit di C₆₀ film, dan menunjukkan IPCE yang lebih tinggi pada panjang gelombang panjang, karena efek spacer optik serta kontribusi P3HT/C₆₀ subsel.

Dari Tabel 2, terlihat bahwa C₆₀ Perangkat berbasis (25 nm)/LiF (8 nm) menunjukkan PCE rendah sebesar 1,10% meskipun efisiensi ini masih jauh lebih tinggi daripada (0,06%) perangkat khusus LiF (8 nm). PCE yang rendah adalah hasil dari J . yang kecil _sc dan FF, yang disebabkan oleh R . yang besar _s . Seperti dibahas di atas, C₆₀ (35 nm)/LiF (5 nm) film memiliki konduktivitas listrik yang baik karena pembentukan morfologi campuran antara C₆₀ dan lapisan LiF (lihat Gambar 2). Untuk menemukan alasan tingginya resistensi C₆₀ (25 nm)/LiF (8 nm), pengukuran AFM dilakukan pada film P3HT:PCBM tanpa dan dengan C₆₀ (25 nm), LiF (8 nm), dan C₆₀ (25 nm)/LiF (8 nm) lapisan diendapkan di atas. Seperti yang ditunjukkan pada File tambahan 1:Gambar S3, agregat bulat besar terbentuk di C₆₀ (25 nm) film sementara agregat yang relatif kecil terbentuk dalam film LiF (8 nm), yang serupa dengan pengamatan pada Gambar. 2. Saat mendepositkan LiF setebal 8-nm di atas C₆₀ (25 nm), morfologi (agregat kecil) sangat mirip dengan film LiF murni, menunjukkan bahwa C₆₀ yang mendasarinya agregat sepenuhnya ditutupi oleh LiF setebal 8 nm. Oleh karena itu, kami berspekulasi bahwa LiF tebal terakumulasi di bagian atas C₆₀ (25 nm)/LiF (8 nm) film bilayer, yang menghalangi ekstraksi elektron dan oleh karena itu menyebabkan R yang tinggi _s perangkat.