Lapisan Penampang Katoda LiF Tebal yang Ditingkatkan dengan Lapisan Antara C60 Meningkatkan Efisiensi Sel Surya Polimer

Latar Belakang

Sel surya polimer persimpangan heterojunt yang diproses dalam larutan telah menarik perhatian yang signifikan karena biaya rendah, fleksibilitas, dan skalabilitas. Namun, efisiensi konversi daya (PCE) mereka masih di bawah fotovoltaik silikon. Terobasan terbaru, mencapai 11–13 %, berasal dari polimer donan baru dan penerima non-fulleren. Selain itu, penyisipan lapis penampang anoda atau katoda (ABL/CBL) dapat meningkatkan performa perangkat lebih lanjut.

Dalam PSC konvensional, anoda ITO dikomplemenkan oleh lapis penampang katoda dengan fungsi kerja rendah seperti Ca. Sayangnya, Ca mudah teroksidasi, yang mengorbankan stabilitas. Fluorida litium (LiF) adalah CBL yang banyak digunakan karena menciptakan dipol antarmuka yang mengurangi fungsi kerja katoda. Namun, karakter isolator LiF membatasi tebal praktisnya menjadi kurang dari 2 nm, biasanya sekitar 1 nm, membuat penampilan yang presisi sulit dan menawarkan perlindungan yang tidak memadai selama evaporasi logam.

Untuk mengatasi keterbatasan ini, kami sebelumnya melaporkan tumpukan multilayer C60/LiF yang mempertahankan konduktivitas tinggi bahkan dengan lapisan LiF tebal, tetapi urutan penampilan kompleks dan mahal. Dalam pekerjaan ini, kami menyederhanakan arsitektur dengan menggunakan bilayer C60/LiF tunggal. Dengan menempatkan lapisan antara C60 sebelum LiF, kami dapat menggunakan LiF yang lebih tebal tanpa mengorbankan efisiensi. Perangkat dengan C60 (25 nm)/LiF (1–6 nm) mempertahankan sekitar 3 % PCE, sementara LiF 5 nm saja menurun tajam. Efisiensi puncak 3,77 % untuk bilayer sekitar 23 % lebih tinggi dari 3,06 % perangkat hanya-LiF, menunjukkan keunggulan bilayer.

Metode

Pembuatan PSC

Substrat kaca dilapisi ITO (Delta Technologies, LTD) dibersihkan dalam aseton dan alkohol isopropil (IPA) melalui ultrasonikasi (5 menit masing-masing) lalu dirawat dengan plasma O2 (60 s) untuk membuat permukaan hidrofilik. Larutan PEDOT:PSS difilter (Clevios PH 500, H.C. Starck) di spin-coated pada 2000 rpm selama 50 s dan dipanaskan pada 110 °C selama 20 min di bawah nitrogen. Sampel kemudian dipindahkan ke kotak sarung yang diurai N2 (<0,1 ppm O2/H2O) untuk spin-coated lapisan fotoaktif.

P3HT (Rieke Metals Inc., 4002-EE, 91–94 % regioregularitas) dan PCBM (American Dye Source, >99,5 % kemurnian) dilarutkan dalam klorobenaena dengan rasio berat 1:1. Larutan difilter (0,45 µm) dan di spin-coated di atas PEDOT:PSS pada 1000 rpm selama 50 s, diikuti dengan pengeringan termal pada 130 °C selama 20 min. Proses ini menghasilkan lapisan aktif sekitar 160 nm (diukur dengan profilometer Dektek). Evaporasi termal berurutan (tekanan dasar 1 × 10^−6 mbar) menempatkan C60, LiF, dan Al (75 nm). Masker bayangan lingkar 1 mm mendefinisikan area aktif sebelum penampilan Al.

Karakterisasi

Karakteristik densitas arus-tegangan (J–V) dicatat dengan Keithley 2400 di bawah iradiasi simulasi AM 1.5 G (100 mW cm^−2), dikalibrasi terhadap sel silikon referensi. Pengukuran dilakukan di dalam kotak sarung. Citra mikroskop gaya atom (AFM) ditangkap dalam mode sentolan menggunakan Veeco Dimension-Icon. Spektra penyerapan UV/Vis diperoleh dengan Varian Cary 50. Ekstraksi muatan terinduksi cahaya dengan peningkatan tegangan linier (Photo-CELIV) dilakukan pada PSC di bawah kondisi atmosfer: laser N2 dipulsa (337,1 nm, 1,4 ns) menghasilkan pembawa, diikuti oleh ramping tegangan bias terbalik setelah tunda 100 µs. Sementara arus dicatat pada osiloskop digital (input 50 Ω). Mobilitas pembawa muatan (μ) dihitung dari persamaan Photo-CELIV standar: μ = (2d^2)/(3At_max^2[1+0.36Δj/j(0)]).

Hasil dan Pembahasan

Gambar 1 menunjukkan kurva J–V PSC dengan dan tanpa lapisan antara C60 di antara lapisan aktif dan penampang LiF 5 nm. Perangkat yang tidak memiliki C60 menunjukkan kurva berbentuk S yang mencolok, yang mengakibatkan faktor isi (FF) rendah dan karena itu PCE yang dikurangi, meskipun nilai Jsc dan Voc normal. Bentuk S timbul dari sifat isolator LiF, yang meningkatkan resistensi seri (Rs) dan mengurangi resistensi bocor (Rsh). Pengenalan lapisan C60 3 nm menghilangkan bentuk S dan meningkatkan FF dari 32,4 % menjadi 56,3 %. FF mencapai puncak 67 % untuk lapisan C60 8 nm sebelum sedikit menurun dengan ketebalan lebih lanjut. PCE yang sesuai naik menjadi 3,65 %, dua kali lipat dari 1,79 % perangkat hanya-LiF. Parameter perangkat sangat dapat direproduksi (simpangan baku <0,2 %), mengonfirmasi keandalan hasil ini.

Analisis AFM (Gambar 2) menunjukkan bahwa lapisan C60 membentuk agregat bola besar, sementara LiF menempel sebagai pulau kecil. Ketika LiF 5 nm diavaporasi pada lapisan C60 35 nm, agregat C60 yang mendasari tetap terbuka sebagian, yang mengarah pada campuran pada antarmuka C60/LiF. Morfologi campuran ini menyediakan jaringan perkolasi yang meningkatkan konduktivitas listrik bilayer, seperti yang ditunjukkan oleh FF yang ditingkatkan.

Gambar 3 membandingkan perangkat dengan CBL LiF tunggal dan bilayer C60/LiF sambil mengubah tebal LiF dari 0,5 hingga 8 nm. Perangkat hanya-LiF mencapai PCE maksimum 3,06 % pada 1 nm, tetapi performa menurun tajam menjadi 0,79 % (6 nm) dan 0,06 % (8 nm). Sebaliknya, bilayer C60 (25 nm)/LiF mempertahankan efisiensi tinggi: 3,77 % pada 1 nm, 2,65 % pada 6 nm, dan 1,10 % pada 8 nm. Peningkatan berasal dari FF dan Jsc yang lebih tinggi, yang dapat dikaitkan dengan penurunan Rs. Pengukuran Photo-CELIV (Gambar S1) menunjukkan bahwa bilayer C60/LiF meningkatkan mobilitas elektron satu orde magnitudo dibandingkan hanya LiF, mengonfirmasi pengangkutan muatan yang ditingkatkan.

Analisis lebih lanjut menunjukkan bahwa lapisan antara C60 juga meningkatkan Jsc dengan membentuk sub-sel P3HT/C60 dan bertindak sebagai ruang optik. Perangkat dengan ITO/PEDOT:PSS/P3HT/C60 (25 nm)/LiF/Al dan berbagai tebal P3HT menunjukkan bahwa Jsc mencapai puncak saat lapisan P3HT sekitar 10 nm, yang sesuai dengan panjang difusi eksiton dalam P3HT (~10 nm). Efek ini menjelaskan peningkatan tambahan sekitar 1 mA cm^−2 dalam Jsc pada perangkat bilayer.

Simulasi distribusi medan listrik (Gambar S2a) mengungkapkan bahwa penggabungan C60 melemahkan medan panjang gelombang pendek tetapi memperkuatnya pada panjang gelombang lebih lama, yang mengarah pada profil penyerapan yang bergeser ke merah. Spektra optik (Gambar S2b) mengonfirmasi bahwa bilayer C60/LiF tidak memperkenalkan penyerapan tambahan dalam rentang cahaya terlihat, sambil meningkatkan penyerapan pada jendela 400–510 nm dan 580–680 nm. Pengukuran efisiensi konversi foton-ke-arus insiden (IPCE) (Gambar S2c) menunjukkan penurunan kecil pada panjang gelombang pendek (karena penyerapan parasit C60) tetapi peningkatan yang signifikan pada panjang gelombang lebih lama, yang mencerminkan efek ruang optik dan kontribusi sub-sel.

Ketika lapisan LiF mencapai 8 nm, PCE bilayer C60/LiF turun menjadi 1,10 % karena peningkatan Rs. Citra AFM (Gambar S3) menunjukkan bahwa pada tebal ini, LiF sepenuhnya menutupi agregat C60, mencegah campuran dan menciptakan lapisan penghalang yang menghambat ekstraksi elektron. Akibatnya, bilayer lebih toleran terhadap variasi tebal LiF dibandingkan lapisan LiF tunggal.

Kesimpulan

Kami telah menunjukkan bahwa lapis penampang LiF tebal dapat digunakan dengan sukses dalam PSC P3HT:PCBM dengan memperkenalkan lapisan antara C60. Bilayer C60 (25 nm)/LiF (5 nm) memberikan PCE puncak 3,65 %, dua kali lipat dari perangkat hanya-LiF (1,79 %). Peningkatan performa berasal dari FF yang lebih tinggi—berkat antarmuka C60/LiF yang konduktif—dan peningkatan Jsc yang kecil dari sub-sel P3HT/C60 dan efek ruang optik. Bahkan pada LiF 8 nm, bilayer mempertahankan PCE 1,10 % versus 0,06 % untuk LiF saja. Penurunan pada 8 nm dikaitkan dengan kurangnya campuran dan resulting hambatan transportasi elektron. Secara keseluruhan, bilayer C60/LiF menawarkan jalur yang sederhana dan hemat biaya untuk PSC yang andal dan berkinerja tinggi dengan keterbatasan tebal LiF yang lebih longgar.