두꺼운 PCDTBT:PCBM 벌크 헤테로접합 태양전지에서 단면 KPFM이 밝힌 전위 딥과 쇼트키 장벽

요약

켈빈 프로브 힘 현미경(KPFM)을 사용하여 높은 개방 회로 전압을 가진 PCDTBT:PCBM 벌크 헤테로접합(BHJ) 태양전지의 단면 전위 분포를 매핑했습니다. 전위 강하는 음극 계면에 국한되어 있으며, 이는 광활성층이 p형 거동을 보임을 확인시켜줍니다. 전기장이 없는 중앙 영역에서 측정된 전위는 로그정규 분포를 따르며, 이는 정공을 포획하고 쌍분자 재결합을 촉진할 수 있는 넓은 에너지 무질서를 나타냅니다. 양극 계면의 쇼트키 장벽은 전하 추출을 추가로 방해하는 반면, 공핍 영역의 전위 기울기는 포획된 캐리어의 장벽을 낮춰 딥을 완화할 수 있습니다.

배경

유기 태양전지(OPV)는 저비용, 유연한 태양광 솔루션을 약속하지만, 상업적 생존력은 10% 이상의 전력 변환 효율(PCE) 달성에 달려 있습니다. 최근의 진전은 새로운 도너/억셉터 물질과 최적화된 제조 프로토콜에 의해 주도되었습니다. 고전적인 P3HT:PCBM 조합은 3-5%의 PCE를 달성했지만, 더 높은 빛 흡수를 위해 필요한 두꺼운 활성층은 재결합 증가와 에너지 무질서로 인해 전하 수집 효율이 떨어집니다.

단면 KPFM은 내부 전기장과 전위 지형에 대한 나노스케일 통찰을 제공하지만, 대부분의 연구는 P3HT:PCBM 시스템에 집중되어 왔습니다. 여기서는 박막 소자에서 준단위 내부 양자 효율을 보이지만 두꺼운 필름에서 성능 저하를 겪는 PCDTBT:PCBM BHJ에 이 접근법을 확장했습니다.

방법

재료 및 소자 제작

PCDTBT(도너)와 용해성 PCBM(억셉터)을 스핀 코팅하여 ITO 위의 20nm PEDOT:PSS 정공 수송층(HTL) 위에 70-150nm 두께의 활성층을 형성했습니다. 알루미늄 음극은 고진공 하에서 증착했습니다. KPFM 측정을 위해 고전도성 PEDOT:PSS 양극 위의 200nm 활성층을 액체 질소에서 쪼개 매끄러운 단면을 노출시켰습니다.

전기 및 KPFM 특성 분석

J-V 곡선은 AM 1.5G 조명(100 mW cm⁻²) 하에서 Keithley 236으로 기록했습니다. KPFM(n-Tracer Nanofocus)은 건조 질소 분위기에서 수행했으며, Pt/Ir 코팅 캔틸레버(350 kHz)를 사용하여 AFM 지형과 주파수 변조 CPD를 동시에 획득했습니다.

결과 및 논의

두께 의존적 광전 성능

활성층 두께가 증가함에 따라 단락 전류 밀도(J_SC)는 간섭 효과로 인해 변동하는 반면, 개방 회로 전압(V_OC)은 일정하게 유지되어 빌트인 전위가 변하지 않음을 나타냅니다. 그러나 충전율(FF)은 두께와 함께 지속적으로 감소하여 전하 수집이 나빠짐을 반영합니다.

단면 전위 매핑

KPFM 지형도(그림 3a)는 RMS 조도 200nm 미만의 매끄러운 쪼개진 표면을 보여줍니다. 위상 이미지(그림 3b)는 PEDOT:PSS/PCDTBT:PCBM 계면을 구분합니다. CPD 매핑(그림 3c)은 음극 측(약 70nm)에 국한된 가파른 전위 강하를 보여주며, 이는 공핍 영역의 특징입니다. 양극 근처의 중앙 영역은 전기장이 없어 BHJ가 효과적인 p형 반도체처럼 행동함을 확인시켜줍니다.

양극 계면 근처에서 뚜렷한 전위 딥이 나타납니다(그림 3c). 그 공간적 범위를 확인하기 위해 더 넓은 영역을 이미징했습니다(그림 4). CPD 이미지는 BHJ 전체에 무작위 밝고 어두운 반점을 보여주며, 이는 로그정규 분포를 따르는 넓은 에너지 무질서를 나타냅니다(그림 4d). 분포의 긴 꼬리(σ ≈ 400 meV)는 깊은 트랩 상태의 높은 밀도를 시사하며, 이는 정공을 포획하고 쌍분자 재결합을 증가시킬 수 있습니다.

에너지 밴드 다이어그램 및 시사점

측정된 전위는 에너지 밴드 다이어그램(그림 5a)으로 변환되며, 여기서 PEDOT:PSS 양극은 PCDTBT의 깊은 HOMO와 0.4eV 쇼트키 장벽을 형성합니다. 이 장벽은 정공 체류 시간을 연장하여 재결합 가능성을 높입니다. 전기장 없는 영역의 전위 딥(그림 5b)은 정공 트랩 분포에 의한 쌍극자 유도 밴드 벤딩의 표현입니다. 활성층이 더 얇은 경우(약 70nm), 공핍 전기장이 딥과 중첩되어 쇼트키 장벽을 효과적으로 낮춥니다(쇼트키 장벽 낮춤 효과), 전하 추출을 용이하게 합니다.

PEDOT:PSS를 MoOx와 같은 더 깊은 일함수 HTL로 대체하면 양극 접합을 옴접촉으로 변환하여 추출 효율을 추가로 개선할 수 있습니다. 그럼에도 불구하고 고유한 에너지 무질서는 두꺼운 소자의 병목 현상으로 남아있으며, 얇고 고품질의 활성층 또는 고급 계면 공학의 중요성을 강조합니다.

결론

두꺼운 PCDTBT:PCBM BHJ 소자의 단면 KPFM은 양극의 쇼트키 장벽과 전기장 없는 영역의 로그정규 분포 전위 딥을 밝혀냈습니다. 이러한 특징은 정공을 포획하고 쌍분자 재결합을 촉진하여 두꺼운 필름에서 관찰되는 충전율 저하를 설명합니다. 완화 전략으로는 쇼트키 장벽을 제거하기 위한 더 깊은 일함수 HTL 사용과, 공핍 폭과 비슷한 활성층 두께 설계로 쇼트키 장벽 낮춤 효과를 통해 전위 딥을 억제하는 것이 포함됩니다.

약어

BHJ

벌크 헤테로접합

CPD

접촉 전위차

EIS

전기화학적 임피던스 분광법

FWHM

반값 전폭

HTL

정공 수송층

IQE

내부 양자 효율

KPFM

켈빈 프로브 힘 현미경

P3HT

폴리(3-헥실티오펜)

PCBM

[6,6]-페닐-C60-부티르산 메틸 에스테르

PCDTBT

폴리[N-9'-헵타데카닐-2,7-카바졸-알트-5,5-(4',7'-디-2-티에닐-2',1',3'-벤조티아다이아졸)]

PCE

전력 변환 효율

TOF

비행 시간

Voc

개방 회로 전압