Microscopía de Fuerza Kelvin Transversal Revela Caída de Potencial y Barrera Schottky en Células Solares de Heterounión Voluminoso PCDTBT:PCBM Gruesas

Resumen

Se utilizó microscopía de fuerza Kelvin (KPFM) para mapear la distribución de potencial transversal de una célula solar de heterounión voluminoso (BHJ) PCDTBT:PCBM con alto voltaje de circuito abierto. La caída de potencial se confina en la interfaz del cátodo, confirmando el comportamiento tipo p de la capa fotoactiva. En la región central libre de campo, los potenciales medidos siguen una distribución log-normal, lo que indica un amplio desorden energético que puede atrapar huecos y aumentar la recombinación bimolecular. Una barrera Schottky en la interfaz del ánodo dificulta aún más la extracción de cargas, mientras que el gradiente de potencial en la región de agotamiento puede mitigar la caída al reducir la barrera para los portadores atrapados.

Antecedentes

La fotovoltaica orgánica (OPV) promete soluciones solares de bajo costo y flexibles, pero su viabilidad comercial depende de eficiencias de conversión de energía (PCE) superiores al 10 %. El progreso reciente se ha impulsado por nuevos materiales donador/aceptor y protocolos de fabricación optimizados. La clásica pareja P3HT:PCBM alcanzó un 3-5 % de PCE, pero capas activas más gruesas, necesarias para mayor absorción de luz, sufren de menor eficiencia de recolección de carga debido a mayor recombinación y desorden energético.

La KPFM transversal ofrece visión a nanoescala de campos eléctricos internos y paisajes de potencial, aunque la mayoría de estudios se han centrado en el sistema P3HT:PCBM. Aquí extendemos este enfoque al BHJ PCDTBT:PCBM, un material que exhibe eficiencia cuántica interna cercana a la unidad en dispositivos delgados pero sufre pérdida de rendimiento en películas gruesas.

Métodos

Materiales y Fabricación de Dispositivos

PCDTBT (donador) y PCBM soluble (aceptor) se depositaron por centrifugado para formar capas activas de 70-150 nm sobre una capa de transporte de huecos (HTL) de PEDOT:PSS de 20 nm sobre ITO. Los cátodos de aluminio se evaporaron bajo alto vacío. Para KPFM, una capa activa de 200 nm sobre un ánodo de PEDOT:PSS altamente conductor se fracturó en nitrógeno líquido para exponer una sección transversal suave.

Caracterización Eléctrica y KPFM

Las curvas J-V se registraron con un Keithley 236 bajo iluminación AM 1.5G (100 mW cm⁻²). La KPFM (n-Tracer Nanofocus) se realizó en nitrógeno seco; la topografía AFM y la diferencia de potencial de contacto (CPD) modulada en frecuencia se adquirieron simultáneamente usando una cantilever recubierta de Pt/Ir (350 kHz).

Resultados y Discusión

Rendimiento Fotovoltaico Dependiente del Espesor

Aumentar el espesor de la capa activa desplaza la corriente de cortocircuito (J_SC) por efectos de interferencia, mientras que el voltaje de circuito abierto (V_OC) permanece constante, indicando potencial built-in inalterado. Sin embargo, el factor de llenado (FF) disminuye constantemente con el espesor, reflejando una recolección de carga más deficiente.

Mapeo de Potencial Transversal

La topografía KPFM (Fig. 3a) muestra una superficie fracturada suave con rugosidad RMS <200 nm. La imagen de fase (Fig. 3b) delimita la interfaz PEDOT:PSS/PCDTBT:PCBM. El mapeo CPD (Fig. 3c) revela una caída de potencial pronunciada confinada en el lado del cátodo (≈70 nm), característica de la región de agotamiento. La región media cerca del ánodo es libre de campo, confirmando que el BHJ se comporta como un semiconductor tipo p efectivo.

Una marcada caída de potencial aparece cerca de la interfaz del ánodo (Fig. 3c). Para confirmar su extensión espacial, se imagenó un área mayor (Fig. 4). La imagen CPD muestra manchas brillantes y oscuras aleatorias en el BHJ, indicando un amplio desorden energético que sigue una distribución log-normal (Fig. 4d). La cola larga de la distribución (σ ≈ 400 meV) sugiere una alta densidad de estados trampa profundos, que pueden capturar huecos y aumentar la recombinación bimolecular.

Diagrama de Bandas Energéticas e Implicaciones

Los potenciales medidos se traducen en un diagrama de bandas energéticas (Fig. 5a) donde el ánodo PEDOT:PSS forma una barrera Schottky de 0,4 eV con el HOMO profundo de PCDTBT. Esta barrera prolonga el tiempo de residencia de huecos, aumentando la probabilidad de recombinación. La caída de potencial en la región libre de campo (Fig. 5b) es una manifestación de la curvatura de bandas inducida por dipolos causada por la distribución de trampas de huecos. Si la capa activa fuera más delgada (≈70 nm), el campo de agotamiento solaparía la caída, reduciendo efectivamente la barrera Schottky (reducción de barrera Schottky) y facilitando la extracción de carga.

Reemplazar PEDOT:PSS por una HTL de función de trabajo más profunda como MoOx convertiría la unión del ánodo en un contacto óhmico, mejorando aún más la eficiencia de extracción. No obstante, el desorden energético intrínseco sigue siendo un cuello de botella para dispositivos gruesos, subrayando la importancia de capas activas delgadas y de alta calidad o ingeniería interfacial avanzada.

Conclusiones

La KPFM transversal de celdas BHJ PCDTBT:PCBM gruesas reveló una barrera Schottky en el ánodo y una caída de potencial distribuida log-normalmente en la región libre de campo. Estas características atrapan huecos y aumentan la recombinación bimolecular, explicando la caída observada del factor de llenado en películas más gruesas. Las estrategias de mitigación incluyen usar HTLs de función de trabajo más profunda para eliminar la barrera Schottky y diseñar dispositivos con espesores de capa activa comparables al ancho de agotamiento para suprimir la caída de potencial mediante reducción de barrera Schottky.

Abreviaturas

BHJ

Heterounión voluminoso

CPD

Diferencia de potencial de contacto

EIS

Espectroscopía de impedancia electroquímica

FWHM

Ancho a media altura

HTL

Capa de transporte de huecos

IQE

Eficiencia cuántica interna

KPFM

Microscopía de fuerza Kelvin

P3HT

Poli(3-hexiltiofeno)

PCBM

[6,6]-Fenil-C60-butirato de metilo

PCDTBT

Poli[N-9'-heptadecanil-2,7-carbazol-alt-5,5-(4',7'-di-2-tienil-2',1',3'-benzotiadiazol)]

PCE

Eficiencia de conversión de energía

TOF

Tiempo de vuelo

Voc

Voltaje de circuito abierto