Caída potencial en energía fotovoltaica orgánica sondada por microscopía de fuerza de sonda Kelvin de sección transversal

Imágenes transversales obtenidas simultáneamente de un topografía, b fase, c CPD y d perfil de línea de potencial de campo medio obtenido por promediado espacial de c . Las líneas de puntos son guías para la separación de capas

Otro punto peculiar es que existe una gran caída de potencial cerca de la interfaz del ánodo. Esto se puede ver en la imagen KPFM de sección transversal como un área oscura en la Fig. 3c. Si existe tal caída potencial en la capa fotoactiva, las cargas separadas pueden quedar atrapadas fácilmente en dichos puntos y las propiedades de transporte se deteriorarán significativamente, especialmente durante el movimiento de difusión [21]. Para verificar la existencia de tal inmersión potencial en la capa fotoactiva, examinamos un área más amplia como se muestra en la Fig. 4. La topografía (Fig. 4a) y la imagen de fase (Fig. 4b) muestran una superficie de división suave e interfaces claras de cada capa. En la imagen de CPD de la Fig. 4c, la región inferior de la capa PEDOT:PSS de alta conductividad muestra valores de CPD bastante uniformes en regiones enteras. Por el contrario, la región superior de la capa PCDTBT:PCBM muestra regiones brillantes y oscuras (caída potencial) distribuidas aleatoriamente en todas las regiones. Se informa que la capa PCDTBT:PCBM BHJ muestra un desorden energético más amplio en la densidad de estados (DOS) en comparación con P3HT:PCBM [7, 10, 22]. Confirmamos la existencia de este desorden energético en imágenes potenciales transversales como regiones oscuras y brillantes que representan estados de energía profundos y superficiales, respectivamente. Una cosa debe tenerse en cuenta que las perturbaciones potenciales o los puntos de caída de energía no son solo puntos; más bien, se extiende localmente en ambas direcciones, lo que sugiere que los puntos de inmersión de energía pueden inducirse con orientación molecular o algún otro problema morfológico relacionado con el proceso de fabricación [7, 23]. Para el desorden energético detallado de la perturbación potencial en PCDTBT:PCBM, muestreamos y contamos la ocurrencia de valores de energía CPD específicos en la región media de la capa BHJ excepto para las regiones interfaciales existentes en ambos campos. El recuento de valores de energía específicos corresponde al desorden energético de los estados de carga atrapada porque el valor de CPD local significa el nivel de Fermi de ese punto. La región muestreada muestra una cola larga en valores de energía más profundos, lo que resulta en una distribución logarítmica normal como se muestra en la Fig. 4d. Debido a que tomamos muestras en la región libre de campo de la capa BHJ, la mayoría de los valores de energía CPD de 500 meV corresponden al nivel de Fermi promedio de esa región. El paisaje de energía uniforme, es decir, banda plana, debería proporcionar una función delta como ocurrencia de energía y un modelo aún más realista asume la distribución de energía gaussiana en cargas atrapadas, pero nuestro resultado experimental muestra una distribución log-normal de ocurrencia de energía, lo que implica que el número de atrapadas profundas cargas es mucho mayor que la del modelo gaussiano [10]. Se debe estudiar más a fondo la validación de la distribución logarítmica normal. Perturbación de energía de cola corta y larga de ancho completo a la mitad del máximo (FWHM) σ es 200 y 400 meV, respectivamente, que es mayor que la perturbación de energía de la trampa de orificios de 129 meV en el TOF de película gruesa y el resultado de la medición de corriente con carga espacial limitada [10, 22]. Pero, cola larga σ el valor coincide con distribuciones de estado de trampa de 500 meV medidas en el experimento de pérdida por quemado [7]. Cabe señalar que el valor CPD medido corresponde a la diferencia de energía entre el nivel de vacío y el nivel de Fermi del dispositivo, no al nivel HOMO directo del PCDTBT dopado p [17]. Por lo tanto, el valor de CPD medido y la información del nivel HOMO pueden dar una relación relativa entre el nivel HOMO y el nivel Fermi.

Vista amplia obtenida simultáneamente de imágenes transversales de un topografía, b fase, c CPD y d distribución de probabilidad de los valores de CPD en el recuadro punteado de la región sin campo en el área fotoactiva y ajuste de distribución log-normal (recuadro)

Análisis del diagrama de bandas de energía

Según nuestros resultados medidos, el diagrama de bandas de energía del dispositivo PCDTBT:PCBM BHJ se puede dibujar como se muestra en la Fig. 5a. Ánodo PEDOT:PSS hace una unión de barrera Schottky de 0,4 eV con BHJ compuesta por un nivel HOMO profundo de PCDTBT. Con esta barrera, la eficiencia de extracción de huecos se deteriora y la recombinación de huecos de electrones aumenta debido al tiempo de residencia prolongado del hueco en la capa BHJ y la captura de electrones en esta unión del ánodo [24]. Otro mecanismo para la extracción de carga reducida es que la perturbación potencial local provoca una caída potencial en el nivel de vacío, como se muestra en la Fig. 5b [7]. Las diferentes energías de trampa de carga en PCDTBT deben alinearse en el nivel plano de Fermi, y la caída de potencial del nivel de vacío debe alinearse con el nivel plano de Fermi, lo que da como resultado dipolos en las bandas de transporte de carga como se muestra en la Fig. 5b. Se informa que PCBM puro tiene σ valor de 73 meV, pero puede mejorarse en la mezcla mediante interacciones dipolares adicionales, que pueden corresponder a la perturbación de energía restante potenciada por el dipolo producido por la caída de potencial [25]. Los electrones en la región libre de campo se dispersarían en los puntos de flexión de este nivel LUMO, mientras que los huecos habrían aumentado el tiempo de residencia en este punto de inmersión y mejorarían la probabilidad de recombinación bimolecular de huecos de electrones [22].

un Diagrama de banda de energía ideal del dispositivo medido y b vista detallada de la flexión de la banda de nivel de vacío y LUMO inducida por la variación de las trampas de orificios en el polímero donante

Si adoptamos material HTL de nivel profundo de MoOx, la unión Schottky del ánodo cambiará a contacto óhmico y la probabilidad de extracción aumentará [10]. Sin embargo, la flexión del nivel de energía existente en el canal de transporte deteriorará la extracción de carga. Para evitar tal caída en la eficiencia de extracción causada por una unión inadecuada y captura y dispersión de carga en la región de inmersión potencial, podemos hacer que todo el dispositivo sea tan delgado como el ancho de la capa de agotamiento del cátodo. En tal caso, el campo eléctrico de la capa de agotamiento superpondrá el gradiente de potencial en los orificios atrapados y, por lo tanto, se reducirá la inducción de la flexión del nivel de vacío, que es una "reducción de la barrera de Schottky" que facilita el escape de los portadores de carga capturados y hace que el transporte de cargas libres sea más fluido. [21]. Teniendo en cuenta que las OPV delgadas (~ 70 nm) muestran una eficiencia cuántica interna cercana al 100%, la reducción de la barrera de Schottky es una forma eficaz de sortear los inconvenientes [6]. Sin embargo, para que las células OPV gruesas extraigan los portadores de carga de manera eficiente, en primer lugar se requiere que los orificios atrapados en el nivel HOMO de las células OPV sean iguales para minimizar la caída potencial en el canal de transporte.