Penurunan Potensial dalam Fotovoltaik Organik yang Diselidiki oleh Mikroskop Kekuatan Probe Kelvin Cross-sectional

Hasil dan Diskusi

Analisis Kontrol Ketebalan

Saat kami meningkatkan ketebalan lapisan fotoaktif, perangkat menunjukkan karakteristik J-V yang berbeda di bawah kondisi penyinaran cahaya AM 1.5G seperti yang terlihat pada Gambar. 2. Tegangan rangkaian terbuka (V _OC ) nilainya sama pada Gambar. 2a, yang berarti offset pita atau potensi bawaannya sama terlepas dari perbedaan ketebalannya. Namun, arus hubung singkat (J _SC ) perangkat bervariasi dalam ketebalan film yang berbeda. Cahaya yang diserap dalam sel surya organik tipis dan halus memiliki perbedaan maksimum yang disebabkan oleh interferensi gelombang berdiri yang masuk dan yang dipantulkan, yang dapat dilihat di J _SC dari Gambar. 2b. [15] Interferensi destruktif pertama dapat dilihat di dekat ketebalan 120 nm, dan interferensi konstruktif berikutnya dapat dilihat pada ketebalan di atas 150 nm. Namun, dapat dicatat bahwa faktor pengisian (FF) perangkat terus menurun selama kontrol ketebalan. FF dapat direpresentasikan sebagai resistansi seri dan shunt dalam model rangkaian ekivalen, yang berarti seberapa efektif pembawa muatan datang ke elektroda. Dengan demikian, kita dapat melihat bahwa efisiensi pengumpulan muatan merupakan penyebab utama penurunan PCE pada perangkat yang tebal [16].

a Karakteristik J-V perangkat BHJ dengan kondisi cahaya AM 1.5G dan b angka prestasi untuk ketebalan lapisan aktif yang berbeda

Analisis Penampang KPFM

Untuk memahami penurunan efisiensi pengumpulan biaya dalam hal distribusi potensi internal, kami melakukan studi KPFM cross-sectional. Gambar penampang di perangkat PCDTBT:PCBM BHJ yang dibelah ditunjukkan pada Gambar. 3. Data topografi menunjukkan kekasaran beberapa ratus nanometer di seluruh permukaan pembelahan yang ditangkap (Gbr. 3a). Gambar fase pada Gbr. 3b menunjukkan antarmuka yang jelas antara dua lapisan organik yang terdiri dari lubang yang menghantarkan PEDOT:PSS konduktif tinggi dan lapisan BHJ. Potensi yang sesuai dari lapisan terkubur dicitrakan ke masing-masing tingkat perbedaan potensial kontak (CPD) dengan pemindaian KPFM [17]. Perlu dicatat bahwa batas setiap lapisan hanya dapat ditentukan oleh gambar fase; dengan demikian, garis gelap antara lapisan PCDTBT:PCBM BHJ dan lapisan anoda PEDOS:PSS pada citra KPFM bukan merupakan antarmuka dari kedua lapisan tersebut [18]. Profil kedalaman CPD dapat diperoleh dengan rata-rata baris dari sinyal KPFM terukur dari Gambar 3c yang menghasilkan Gambar 3d. Seperti yang dilaporkan dalam studi P3HT:PCBM BHJ, hampir semua potensi penurunan terbatas pada antarmuka katoda yang merupakan daerah penipisan [12]. Lebar penipisan sekitar 70 nm, yang sama seperti di P3HT:PCBM. Daerah tengah di dekat sisi anoda adalah bebas medan, yang berarti BHJ adalah semikonduktor yang didoping-p secara efektif di mana HOMO adalah dari PCDTBT dan LUMO adalah dari PCBM [12]. Namun, PEDOT:PSS konduktif tinggi bukanlah HTL yang baik dalam kasus ini. Kita dapat mengamati offset yang lebih besar dari ~ 0,4 eV pada lapisan PEDOT:PSS dan BHJ, yang dikaitkan dengan level HOMO dalam (5,5 eV) PCDTBT dibandingkan dengan fungsi kerja PEDOT:PSS [10]. Dalam kebanyakan kasus, PEDOT:PSS memiliki kontak ohmik yang baik dengan perangkat polimer terkonjugasi yang didoping-p karena fungsi kerjanya yang tinggi (~ 5.0 eV) [19]. Tapi, dalam hal ini, harus ada kontak Schottky daripada kontak ohmik. Untuk PCDTBT, material HTL fungsi kerja yang lebih dalam seperti MoOx diperlukan untuk ekstraksi lubang yang baik [20].

Gambar penampang a . yang diperoleh secara bersamaan topografi, b fase, c BPH, dan d profil garis potensial medan rata-rata diperoleh dengan rata-rata spasial c . Garis putus-putus adalah panduan untuk pemisahan lapisan

Hal aneh lainnya adalah bahwa ada penurunan potensial yang besar di dekat antarmuka anoda. Hal ini dapat dilihat pada citra KPFM cross-sectional sebagai area gelap pada Gambar 3c. Jika penurunan potensial seperti itu ada di lapisan fotoaktif, muatan yang terpisah dapat dengan mudah terperangkap pada titik tersebut dan sifat transpor akan berkurang secara signifikan terutama selama gerakan difusi [21]. Untuk memverifikasi keberadaan penurunan potensial tersebut di lapisan fotoaktif, kami memeriksa area yang lebih luas seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4. Topografi (Gbr. 4a) dan gambar fase (Gbr. 4b) menunjukkan permukaan pembelahan yang halus dan antarmuka yang jelas dari setiap lapisan. Pada gambar CPD pada Gbr.4c, wilayah bawah lapisan PEDOT:PSS konduktif tinggi menunjukkan nilai CPD yang cukup seragam di seluruh wilayah. Sebaliknya, daerah atas lapisan PCDTBT:PCBM menunjukkan daerah terang dan gelap (potensial dip) yang terdistribusi secara acak di semua daerah. Dilaporkan bahwa lapisan PCDTBT:PCBM BHJ menunjukkan gangguan energi yang lebih luas dalam keadaan kepadatan (DOS) dibandingkan dengan P3HT:PCBM [7, 10, 22]. Kami mengkonfirmasi keberadaan gangguan energetik ini dalam gambar potensial penampang sebagai daerah gelap dan terang yang masing-masing mewakili keadaan energi dalam dan dangkal. Satu hal yang perlu diperhatikan bahwa potensi gangguan atau titik penurunan energi bukan hanya titik; sebaliknya, ini terbentang secara lokal di kedua arah, yang menunjukkan bahwa titik penurunan energi dapat diinduksi dengan orientasi molekul atau beberapa masalah morfologi terkait proses fabrikasi lainnya [7, 23]. Untuk gangguan energi terperinci dari gangguan potensial di PCDTBT:PCBM, kami mengambil sampel dan menghitung terjadinya nilai energi CPD spesifik di wilayah tengah lapisan BHJ kecuali untuk kedua bidang antarmuka yang ada. Hitungan nilai energi spesifik sesuai dengan gangguan energik keadaan muatan yang terperangkap karena nilai CPD lokal berarti tingkat Fermi dari titik tersebut. Wilayah sampel menunjukkan ekor panjang dalam nilai energi yang lebih dalam, menghasilkan distribusi log-normal seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4d. Karena kami mengambil sampel di wilayah bebas bidang lapisan BHJ, nilai energi CPD 500 meV yang paling banyak terjadi sesuai dengan tingkat Fermi rata-rata di wilayah tersebut. Lanskap energi yang seragam, yaitu pita datar, harus berfungsi delta pemberi pinjaman seperti kejadian energi dan model yang lebih realistis mengasumsikan distribusi energi Gaussian dalam muatan yang terperangkap, tetapi hasil eksperimen kami menunjukkan distribusi log-normal dari kejadian energi yang menyiratkan bahwa jumlah energi yang terperangkap dalam muatan jauh lebih besar daripada model Gaussian [10]. Validasi distribusi log-normal harus dipelajari lebih lanjut. Ekor pendek dan panjang dengan lebar penuh pada gangguan energi setengah maksimum (FWHM) σ adalah 200 dan 400 meV, masing-masing, yang lebih besar dari gangguan energi perangkap lubang 129 meV dalam TOF film tebal dan hasil pengukuran arus terbatas muatan ruang [10, 22]. Tapi, ekor panjang σ nilai cocok dengan distribusi trap-state 500 meV yang diukur dalam eksperimen burn-in loss [7]. Perlu dicatat bahwa nilai CPD yang diukur sesuai dengan perbedaan energi antara tingkat vakum dan tingkat Fermi perangkat, bukan dengan tingkat HOMO langsung dari PCDTBT yang didoping-p [17]. Dengan demikian, nilai CPD terukur dan informasi level HOMO dapat memberikan hubungan relatif antara level HOMO dan level Fermi.

Secara bersamaan diperoleh tampilan lebar gambar penampang a topografi, b fase, c BPH, dan d distribusi probabilitas nilai CPD dalam kotak putus-putus dari wilayah bebas bidang di area fotoaktif dan kecocokan distribusi log-normal (inset)

Analisis Diagram Pita Energi

Berdasarkan hasil pengukuran kami, diagram pita energi perangkat PCDTBT:PCBM BHJ dapat digambarkan seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5a. Anoda PEDOT:PSS membuat sambungan penghalang Schottky 0,4 eV dengan BHJ yang terdiri dari level HOMO PCDTBT yang dalam. Dengan penghalang ini, efisiensi ekstraksi lubang memburuk dan rekombinasi lubang elektron meningkat karena waktu tinggal lubang yang lama di lapisan BHJ dan penangkapan elektron di persimpangan anoda ini [24]. Mekanisme lain untuk pengurangan biaya ekstraksi adalah bahwa gangguan potensial lokal membuat potensi penurunan tingkat vakum, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5b [7]. Energi perangkap muatan yang berbeda di PCDTBT harus disejajarkan dalam tingkat Fermi datar, dan penurunan potensial tingkat vakum harus disejajarkan dengan tingkat Fermi datar, sehingga menghasilkan dipol dalam pita transportasi muatan seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5b. Dilaporkan bahwa PCBM murni memiliki σ nilai 73 meV, tetapi dapat ditingkatkan dalam campuran dengan interaksi dipol tambahan, yang dapat sesuai dengan gangguan energi yang tersisa yang ditingkatkan oleh dipol yang dibuat oleh penurunan potensial [25]. Elektron di wilayah bebas medan akan tersebar pada titik tekuk level LUMO ini, sementara lubang akan meningkatkan waktu tinggal pada titik celup ini dan meningkatkan probabilitas rekombinasi bimolekuler lubang elektron [22].

a Diagram pita energi ideal dari perangkat yang diukur dan b tampilan mendetail dari kevakuman dan pembengkokan pita level LUMO yang disebabkan oleh variasi perangkap lubang pada polimer donor

Jika kita mengadopsi bahan HTL tingkat dalam dari MoOx, sambungan anoda Schottky akan diubah menjadi kontak ohmik, dan kemungkinan ekstraksi akan ditingkatkan [10]. Namun, pembengkokan tingkat energi yang ada di saluran transportasi akan memperburuk ekstraksi muatan. Untuk menghindari penurunan efisiensi ekstraksi seperti itu yang disebabkan oleh sambungan yang tidak tepat dan penangkapan muatan dan hamburan di daerah penurunan potensial, kita dapat membuat seluruh perangkat setipis lebar lapisan penipisan katoda. Dalam kasus seperti itu, medan listrik lapisan penipisan akan menempatkan gradien potensial pada lubang yang terperangkap dan dengan demikian, menginduksi pembengkokan tingkat vakum akan berkurang, yang merupakan "Penurunan penghalang Schottky" yang memudahkan pelepasan pembawa muatan yang ditangkap dan membuat pengangkutan muatan bebas menjadi lancar. [21]. Mempertimbangkan bahwa OPV tipis (~ 70 nm) menunjukkan efisiensi kuantum internal mendekati 100%, penurunan penghalang Schottky adalah cara yang efektif untuk menghindari kelemahan [6]. Namun, agar sel OPV tebal dapat mengekstraksi pembawa muatan secara efisien, pertama-tama diperlukan bahwa lubang yang terperangkap di tingkat HOMO sel OPV harus sama untuk meminimalkan potensi penurunan dalam saluran transportasi.