PEDOT altamente conductivo:Capa transportadora de orificios transparentes PSS con tratamiento solvente para células solares híbridas orgánicas / de silicio de alto rendimiento

un Estructura de la molécula de PEDOT:PSS. b Estructura del dispositivo

un J-V curvas bajo la iluminación de AM 1,5, 100 mW cm ^{- 2} y b espectros EQE correspondientes

En comparación con los dispositivos no tratados, se logra un PCE ligeramente más alto del 9,98% para los dispositivos tratados con IPA, con un J _SC de 27,71 mA cm ^{- 1} y un FF de 64,66%. Los dispositivos tratados con etanol tienen una V _OC de 0,556 V, a J _SC de 28,16 mA cm ^{- 1} y un FF del 68,27%, lo que se traduce en un PCE superior al 10,69%. Cuando se utilizó un tratamiento con metanol, se logró un PCE más alto del 12,22% con un J _SC de 30,58 mA cm ^{- 1} y un FF del 72,01%, que es un 28% superior al de los dispositivos de control. Obviamente, el rendimiento de las células solares híbridas aumenta con el aumento de la polaridad de los productos químicos utilizados.

Conductividad y propiedades optoelectrónicas de PEDOT tratado:películas PSS

Para comprender la influencia del tratamiento con disolvente en el rendimiento del dispositivo de las células solares híbridas, se midió la conductividad con un instrumento de sonda de 4 puntos. También se midieron los espectros de transmitancia de las películas usando un espectrofotómetro. Los valores de conductividad junto con las barras de error de las películas PEDOT:PSS prístinas y después del tratamiento de la película con diferentes alcoholes se muestran en la Fig. 2a. Aquí también se midió la conductividad de PEDOT:películas de PSS sin DMSO como disolvente aditivo. Se puede ver en la Fig. 2a que la conductividad promedio aumenta drásticamente de 0.3 a 650 S cm ^{- 1} con DMSO como disolvente aditivo. Como puede verse claramente en la Fig. 2a y la Tabla 2, la conductividad aumenta al aumentar las constantes dieléctricas y las polaridades de los alcoholes. Dada esta tendencia, las conductividades medias para películas PEDOT:PSS con un tratamiento posterior con IPA y etanol son 826 y 908 S cm ^{- 1} , respectivamente. Para películas tratadas con metanol, una conductividad promedio de 11 S cm ^{- 1} se consigue. Es mucho más alto que el valor informado [23]. Es bien sabido que la interacción de Coulomb entre los dopantes PEDOT cargados positivamente y los dopantes PSS cargados negativamente podría reducirse mediante disolventes polares [28]. Por lo tanto, una constante dieléctrica más alta del solvente polar conducirá a un efecto de cribado más fuerte entre los contraiones y los portadores de carga durante el proceso de tratamiento. Como resultado, el grosor del PEDOT:PSS tratado varía con los diferentes productos químicos de tratamiento. La figura 2b muestra la variación de la resistencia de la hoja y la transmitancia a 550 nm de las películas PEDOT:PSS tratadas con diferentes alcoholes. Como lo muestra la X En el eje de la Fig. 2b, los espesores son 113, 99, 95 y 86 nm para películas sin tratar, tratadas con IPA, tratadas con etanol y tratadas con metanol, respectivamente. Las películas tratadas con metanol muestran una resistencia laminar de 105 Ω cm ^{- 2} y una transmitancia del 95%. Las películas tratadas con diferentes alcoholes tienen casi el mismo valor de transmitancia, lo que indica que el tratamiento de la película afecta principalmente a las propiedades electrónicas de las películas PEDOT:PSS.

un Conductividades de PEDOT:Películas de PSS tratadas con diferentes productos químicos. b Variación de transmitancia y resistencia laminar para PEDOT:PSS tratado con diferentes productos químicos

Se ha demostrado que la reorganización de nanocristales PEDOT en las películas delgadas PEDOT:PSS con recubrimiento por rotación puede identificarse mediante espectroscopía Raman [29]. Por tanto, llevamos a cabo mediciones Raman para investigar la diferencia entre las películas PEDOT:PSS tratadas y no tratadas. La Figura 3 muestra los espectros Raman de las películas PEDOT:PSS tratadas con diferentes métodos. En la estructura química de PEDOT, hay dos estructuras resonantes, a saber, benzoide y quinoide, como se muestra en el esquema 2 [30]. En la estructura benzoide, el C _α –C _β El enlace está formado por dos electrones conjugados, mientras que en la estructura de quinoides, no hay π conjugados. -electrones en el C _α –C _β vínculo. La estructura quinoide muestra más rigidez que la estructura benzoide. La estructura rígida del quinoide tiene interacciones más fuertes entre las cadenas PEDOT que conducen a una alta movilidad del portador de carga. Como se muestra en la Fig. 3, para las películas tratadas con etanol e IPA, los cambios son de 1429 a 1426,8 cm ^{- 1} y 1429 a 1425,8 cm ^{- 1} , respectivamente, en comparación con las películas sin tratar. Y la película PEDOT:PSS tratada con metanol muestra un cambio de 1429 a 1422,7 cm ^{- 1} en comparación con la película PEDOT:PSS sin tratar. El cambio Raman creciente es consistente con el aumento de la polaridad, e indica que el tratamiento con metanol promueve la mayoría de los cambios de conformación de la estructura benzoide a la quinoide [30]. En otras palabras, el tratamiento con metanol es la forma más eficaz de eliminar el componente aislante de PSS en la película PEDOT:PSS y promover una estructura y empaquetamiento más rígidos de las cadenas PEDOT, lo que conduce a un rendimiento mejorado.

Espectros Raman de la película PEDOT:PSS sin tratar y la película PEDOT:PSS tratada con diferentes productos químicos

un Benzoid y b Las estructuras de quinoides existen dentro de PEDOT

Para comprender mejor si la matriz de PSS en la superficie de la película PEDT:PSS se elimina en cierta medida después del tratamiento con solvente, se realizan experimentos XPS para explorar los cambios de componentes de la película PEDOT:PSS después del tratamiento de recubrimiento por rotación. La Figura 4 muestra los espectros XPS de las películas S2p ​​de PEDOT:PSS preparadas con / sin postratamiento con diferentes alcoholes. La banda entre 166 y 172 eV corresponde al átomo de azufre en PSS, y la banda entre 162 y 166 eV corresponde a los átomos de azufre en PEDOT [31, 32]. La relación de áreas de banda para PSS a PEDOT se puede utilizar para calcular la composición relativa de PSS a PEDOT en la superficie. El resumen de las áreas de pico de la cantidad de PSS a la de PEDOT en la superficie se enumera en el archivo adicional 1:Tabla S1. La película PEDOT:PSS sin tratar muestra una relación PSS / PEDOT de 2,48, lo que concuerda con la conclusión ya aceptada de que la superficie de una película PEDOT:PSS contiene más PSS que la de la masa [33]. Para películas tratadas con etanol e IPA, la relación PSS / PEDOT es 1,50 y 1,87, lo que indica que en cierta medida se eliminó el PSS aislante durante el tratamiento con disolvente. Para las películas con tratamiento con metanol, la relación PSS / PEDOT se reduce a 1,33. La tendencia de la relación PSS / PEDOT disminuida es consistente con la conductividad eléctrica aumentada de las películas PEDOT:PSS resultantes. También llevamos a cabo estudios AFM para investigar la influencia del tratamiento con metanol en la estructura de la superficie. A través de las imágenes de altura en el archivo adicional 1:Figura S1, las películas PEDOT:PSS tratadas y no tratadas tienen características de superficie muy lisa. Se pueden encontrar estructuras similares a nanofibrillas en ambas películas, lo que podría atribuirse al efecto de la adición previa de DMSO. Las mediciones de AFM indican que no hay un cambio claro en la estructura de la cadena de PEDOT:PSS. La rugosidad de la superficie estimada a partir de AFM para la película PEDOT:PSS sin tratar es de 2,08 nm y de 2,38 nm para la película tratada.

Espectros S (2p) XPS de películas PEDOT:PSS sin tratar y tratadas con metanol

La medición por espectroscopia de impedancia es una técnica poderosa para probar los procesos físicos, como la transferencia de portadora y la recombinación en las interfaces internas, utilizando un elemento RC adecuado [34, 35]. También se midieron las curvas de Mott-Schottky (MS) para las células solares híbridas tratadas con metanol y sin tratar. Según el modelo de Anderson, la capacitancia se describe mediante la siguiente ecuación [36].

$$ {C} ^ {- 2} =\ frac {V _ {\ mathrm {bi}} - {V} _ {\ mathrm {app}}} {A ^ 2q {\ varepsilon} _0 {\ varepsilon} _ { \ mathrm {r}} {N} _ {\ mathrm {A}}}, $$ (1)

donde V _bi es el voltaje incorporado, V _aplicación es el voltaje aplicado, ɛ _r es la constante dieléctrica relativa, ε ₀ es la permitividad del vacío y N _A es la concentración de impurezas aceptoras. El 1 / C ² - V Los gráficos de las células solares híbridas se muestran en el archivo adicional 1:Figura S2; la intersección extrapolada en el eje de coordenadas del potencial indicó que el tratamiento con metanol no muestra un impacto ambiguo en el potencial incorporado. Las gráficas de Nyquist de células solares híbridas medidas en condiciones de circuito abierto se muestran en la Fig. 5a. El único semicírculo observado en cada gráfico indica solo un elemento RC en la interfaz de la heterounión Si / PEDOT:PSS, y el circuito equivalente se presenta en la Fig. 5b. Según el modelo de difusión-reacción [37], la impedancia del arco de este circuito viene dada por

$$ Z \ left (\ upomega \ right) ={Z} ^ {\ prime} \ left (\ upomega \ right) - \ mathrm {j} \ left (\ upomega \ right) {Z} ^ {{\ prime \ prime}}, $$ (2)

donde Z ′ Y Z ″ Son las magnitudes de las partes real e imaginaria de la impedancia, y surge un signo menos debido a la reactancia capacitiva involucrada en el circuito. Las curvas ajustadas coinciden bien con los datos experimentales, lo que sugiere que el modelo del circuito refleja el circuito real. El elemento de resistencia R _PN y el elemento de capacitancia C _PN se estiman a partir de los datos de ajuste. La vida de la portadora minoritaria ( τ ) en las interfaces relacionadas de las células solares híbridas podría determinarse mediante τ = R _PN × C _PN [38]. Los parámetros de ajuste se comparan en el archivo adicional 1:Tabla S2. R _PN es un factor crítico para el rendimiento del dispositivo porque una alta R _PN implica una reducción de la pérdida de portadores a través de la recombinación. Como se muestra en el archivo adicional 1:Tabla S2, se obtiene una vida útil más larga del portador para los dispositivos tratados con metanol (751,12 μs) que para los dispositivos no tratados (621,81 μs) en condiciones de circuito abierto, lo que sugiere un bloqueo de electrones más eficaz en PEDOT:PSS / Interfaz Ag en dispositivos tratados con metanol.

un EIS (gráficos de Nyquist) de células solares híbridas Si / PEDOT:PSS sin tratar y tratadas con metanol bajo voltaje de polarización cero, los datos experimentales están representados por puntos y los datos de ajuste de acuerdo con los modelos relevantes están representados por líneas, respectivamente. b Modelo de circuito equivalente para ajustarse a los datos experimentales

Conclusiones

En resumen, se ha propuesto un postratamiento en películas PEDOT:PSS con disolvente polar para mejorar el rendimiento de las células solares de heterounión PEDOT:PSS / Si. Una alta conductividad de 1105 S cm ^{- 1} de PEDOT:PSS se logró mediante el uso de tratamiento con metanol como las correspondientes células solares híbridas con una mejor eficiencia del 12,22%, que es un 28% más alta en comparación con aquellas con películas PEDOT:PSS sin tratar. Los resultados de RAMAN y XPS proporcionan una fuerte evidencia de la reorganización de los nanocristales PEDOT y la reducción de la cadena de PSS a lo largo de la superficie, lo que mejora conjuntamente la conductividad y, por lo tanto, el rendimiento del dispositivo. La conductividad mejorada se puede atribuir a la transposición de restos PEDOT en la superficie, ya que la matriz de PSS se puede eliminar mediante recubrimiento por rotación con metanol. Las mediciones de EIS indicaron claramente que la pérdida de recombinación de carga en células solares híbridas con películas PEDOT:PSS tratadas con metanol se reduce en comparación con los dispositivos no tratados. Creemos que estos enfoques de bajo costo para modificar la superficie de la capa amortiguadora PEDOT:PSS serían candidatos prometedores para la aplicación fotovoltaica.

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