단면 Kelvin Probe Force Microscopy로 조사한 유기 태양광 발전의 잠재적 하락

결과 및 토론

두께 제어 분석

광활성층의 두께를 증가시키면 그림 2와 같이 AM 1.5G 광조사 조건에서 소자의 J-V 특성이 다르게 나타난다. 개방전압(V _OC ) 값은 그림 2a에서 동일하며, 이는 두께 차이에 관계없이 밴드 오프셋 또는 내장 전위가 동일함을 의미합니다. 그러나 단락 전류(J _SC ) 장치의 필름 두께가 다릅니다. 얇고 매끄러운 유기 태양 전지에 흡수된 빛은 J에서 볼 수 있는 들어오는 정상파와 반사된 정상파의 간섭으로 인해 서로 다른 최대값을 나타냅니다. _SC 도 2b의. [15] 첫 번째 상쇄간섭은 120nm 두께 근처에서 볼 수 있고 다음 보강간섭은 150nm 두께 이상에서 볼 수 있습니다. 그러나 두께 조절 시 소자의 필 팩터(FF)가 꾸준히 감소하는 것을 알 수 있다. FF는 등가 회로 모델에서 직렬 및 션트 저항으로 나타낼 수 있습니다. 이는 전하 캐리어가 전극에 얼마나 효과적으로 전달되었는지를 의미합니다. 따라서 우리는 전하 수집 효율이 두꺼운 장치에서 PCE를 감소시키는 주요 원인임을 알 수 있습니다[16].

아 AM 1.5G 조명 조건 및 b가 있는 BHJ 장치의 J-V 특성 다양한 활성층 두께에 대한 성능 지수

KPFM 단면 분석

내부 전위 분포 측면에서 전하 수집 효율 저하를 이해하기 위해 단면 KPFM 연구를 수행했습니다. 쪼개진 PCDTBT:PCBM BHJ 장치의 단면 이미지가 그림 3에 나와 있습니다. 지형 데이터는 캡처된 쪼개짐 표면 전체에 걸쳐 거의 수백 나노미터 거칠기를 보여줍니다(그림 3a). 그림 3b의 위상 이미지는 정공 전도성 PEDOT:PSS와 BHJ 층으로 구성된 두 유기 층 사이의 명확한 경계면을 보여줍니다. 묻힌 층의 해당 전위는 KPFM 스캐닝에 의해 각각의 접촉 전위차(CPD) 레벨로 이미지화되었습니다[17]. 각 레이어의 경계는 위상 이미지로만 할당할 수 있습니다. 따라서 KPFM 이미지에서 PCDTBT:PCBM BHJ 레이어와 양극 PEDOS:PSS 레이어 사이의 어두운 선은 이 두 레이어의 인터페이스가 아닙니다[18]. CPD의 깊이 프로파일은 그림 3c의 측정된 KPFM 신호를 행 단위로 평균하여 그림 3d와 같이 얻을 수 있습니다. P3HT:PCBM BHJ 연구에서 보고된 바와 같이, 거의 모든 전위 강하는 공핍 영역인 음극 계면에서 제한됩니다[12]. 공핍 폭은 P3HT:PCBM과 동일한 약 70nm입니다. 애노드 측 근처의 중간 영역은 필드가 없습니다. 이는 BHJ가 효과적으로 p-도핑된 반도체임을 의미하며 HOMO는 PCDTBT이고 LUMO는 PCBM입니다[12]. 그러나 높은 전도성 PEDOT:PSS는 이 경우 좋은 HTL이 아닙니다. PEDOT:PSS 및 BHJ 레이어에서 ~ 0.4eV 오프셋보다 큰 것을 관찰할 수 있습니다. 이는 PEDOT:PSS의 일함수와 비교하여 PCDTBT의 깊은 HOMO 레벨(5.5eV)에 기인합니다[10]. 대부분의 경우 PEDOT:PSS는 높은 일함수(~ 5.0 eV)로 인해 p-도핑된 공액 폴리머 장치와 우수한 저항성 접촉을 보입니다[19]. 단, 이 경우 옴 접촉이 아닌 쇼트키 접촉이 있어야 합니다. PCDTBT의 경우 좋은 구멍 추출을 위해서는 MoOx와 같은 더 깊은 일함수 HTL 재료가 필요합니다[20].

동시에 얻은 a 단면 이미지 지형, b 단계, c CPD 및 d c의 공간 평균으로 얻은 평균 필드 전위 라인 프로파일 . 점선은 레이어 분리를 위한 안내선입니다.

또 다른 특이한 점은 양극 계면 근처에 큰 전위 딥이 있다는 것입니다. 이것은 단면 KPFM 이미지에서 그림 3c의 어두운 영역으로 볼 수 있습니다. 이러한 전위 딥이 광활성 층에 존재하면 이러한 지점에서 분리된 전하가 쉽게 포획될 수 있고 특히 확산 운동 동안 수송 특성이 크게 저하될 것이다[21]. 이러한 광활성층의 잠재적인 딥(dip)의 존재를 확인하기 위해 우리는 그림 4와 같이 더 넓은 영역을 조사했습니다. 지형(그림 4a)과 위상 이미지(그림 4b)는 매끄러운 쪼개짐 표면과 각 층의 명확한 경계면을 보여줍니다. 그림 4c의 CPD 이미지에서 전도성이 높은 PEDOT:PSS 층의 하부 영역은 전체 영역에 걸쳐 상당히 균일한 CPD 값을 보여줍니다. 반면, PCDTBT:PCBM 층의 상부 영역은 모든 영역에 무작위로 분포된 밝은 영역과 어두운 영역(potential dip)을 보여줍니다. PCDTBT:PCBM BHJ 층은 P3HT:PCBM에 비해 DOS(density of state)에서 더 넓은 에너지 장애를 보이는 것으로 보고되었습니다[7, 10, 22]. 우리는 각각 깊고 얕은 에너지 상태를 나타내는 어둡고 밝은 영역으로 단면 전위 이미지에서 이 에너지 장애의 존재를 확인합니다. 한 가지는 잠재적 교란 또는 에너지 딥 포인트가 단순한 스팟이 아니라는 점에 유의해야 합니다. 오히려, 그것은 에너지 딥 포인트가 분자 배향 또는 기타 제조 공정 관련 형태 문제로 유도될 수 있음을 시사하는 양방향으로 국부적으로 걸쳐 있습니다[7, 23]. PCDTBT:PCBM에서 잠재적 교란의 상세한 에너지 장애에 대해 우리는 두 필드 기존 계면 영역을 제외한 BHJ 층의 중간 영역에서 특정 CPD 에너지 값의 발생을 샘플링하고 계산했습니다. 특정 에너지 값의 개수는 갇힌 전하 상태의 에너지 무질서에 해당합니다. 로컬 CPD 값은 해당 지점의 페르미 준위를 의미하기 때문입니다. 샘플링된 영역은 더 깊은 에너지 값에서 긴 꼬리를 보여 그림 4d와 같은 로그 정규 분포를 나타냅니다. BHJ 층의 무장 영역에서 샘플링했기 때문에 가장 많이 발생하는 − 500meV CPD 에너지 값은 해당 영역의 평균 페르미 준위에 해당합니다. 균일한 에너지 환경, 즉 플랫 밴드는 에너지 발생과 같은 대부자 델타 함수여야 하며 훨씬 더 현실적인 모델은 갇힌 전하의 가우스 에너지 분포를 가정하지만, 우리의 실험 결과는 에너지 발생의 로그 정규 분포를 보여줍니다. 전하량은 가우스 모델보다 훨씬 큽니다[10]. 로그 정규 분포의 검증은 더 연구되어야 합니다. 반치전폭(FWHM) 에너지 교란 σ의 짧고 긴 꼬리 는 각각 200 및 400 meV로 후막 TOF 및 공간 전하 제한 전류 측정 결과에서 129 meV 홀 트랩 에너지 교란보다 큽니다[10, 22]. 단, 롱테일 σ 값은 번인 손실 실험[7]에서 측정된 500meV 트랩 상태 분포와 일치합니다. 측정된 CPD 값은 p-도핑된 PCDTBT의 직접적인 HOMO 준위가 아니라 장치의 진공 준위와 페르미 준위 사이의 에너지 차이에 해당한다는 점에 유의해야 합니다[17]. 따라서 측정된 CPD 값과 HOMO 준위 정보는 HOMO 준위와 페르미 준위 사이의 상대적인 관계를 제공할 수 있습니다.

a 단면 이미지의 넓은 시야를 동시에 획득 지형, b 단계, c CPD 및 d 광활성 영역에서 필드가 없는 영역의 점선 상자에서 CPD 값의 확률 분포 및 로그 정규 분포 적합(삽입)

에너지 밴드 다이어그램 분석

측정된 결과를 기반으로 PCDTBT:PCBM BHJ 장치의 에너지 밴드 다이어그램을 그림 5a와 같이 그릴 수 있습니다. 양극 PEDOT:PSS는 깊은 HOMO 수준의 PCDTBT로 구성된 BHJ와 0.4eV 쇼트키 장벽 접합을 만듭니다. 이 장벽으로 인해 BHJ 층에서 연장된 정공 체류 시간과 이 양극 접합에서 전자 포획으로 인해 정공 추출 효율이 저하되고 전자-정공 재결합이 증가합니다[24]. 감소된 전하 추출을 위한 또 다른 메커니즘은 그림 5b[7]에서와 같이 국소 전위 교란이 진공 수준에서 전위를 낮추는 것입니다. PCDTBT의 다른 전하 트랩 에너지는 평평한 페르미 준위로 정렬되어야 하고 진공 준위 전위 딥은 평평한 페르미 준위로 정렬되어야 하므로 그림 5b와 같이 전하 수송 대역에서 쌍극자가 생성됩니다. 순수 PCBM에는 σ가 있는 것으로 보고됩니다. 값은 73meV이지만 추가 쌍극자 상호 작용에 의해 혼합에서 향상될 수 있습니다. 무장 영역의 전자는 이 LUMO 수준 굽힘 지점에서 산란되는 반면 정공은 이 딥 지점에서 체류 시간을 증가시키고 전자-정공 이분자 재결합 확률을 향상시킵니다[22].

아 측정된 장치 및 b의 이상적인 에너지 밴드 다이어그램 도너 폴리머의 홀 트랩 변화에 의해 유도된 진공 및 LUMO 레벨 밴드 굽힘의 상세 보기

MoOx의 딥 레벨 HTL 재료를 채택하면 양극 쇼트키 접합이 옴 접촉으로 변경되고 추출 확률이 향상됩니다[10]. 그러나 전송 채널의 기존 에너지 준위 굽힘은 전하 추출을 저하시킵니다. 전위 딥 영역에서 부적절한 접합 및 전하 포착 및 산란으로 인한 이러한 추출 효율 저하를 피하기 위해 전체 장치를 음극 공핍층의 너비만큼 얇게 만들 수 있습니다. 이 경우 공핍층 전계가 포집된 정공에 포텐셜 구배를 중첩시켜 진공 준위 굽힘을 유발하는데, 이는 포집된 전하 캐리어의 탈출을 용이하게 하고 자유 전하의 원활한 수송을 가능하게 하는 "쇼트키 장벽 강하"입니다. [21]. 얇은(~ 70nm) OPV가 거의 100% 내부 양자 효율을 나타낸다는 점을 고려할 때 쇼트키 장벽을 낮추는 것은 단점을 우회하는 효과적인 방법입니다[6]. 그러나 두꺼운 OPV 셀이 전하 캐리어를 효율적으로 추출하려면 먼저 OPV 셀의 HOMO 레벨에 트랩된 구멍이 같아야 전송 채널의 잠재적인 딥이 최소화됩니다.