5-nm LiF als een efficiënte kathodebufferlaag in polymere zonnecellen door simpelweg een C60-tussenlaag te introduceren

Resultaten en discussie

Afbeelding 1 toont de J -V kenmerken, geregistreerd onder 100 mW/cm ² verlichting (AM 1.5 G), van de PSC's met en zonder verschillende diktes van C₆₀ ingeklemd tussen de actieve laag en de 5 nm dikke LiF-laag. Het apparaat zonder de C₆₀ laag vertoont een S-vormige curve, wat resulteert in de lage vulfactor (FF) en dus de lage PCE, ondanks de typische kortsluitstroomdichtheid (J _sc ) en nullastspanning (V _oc ). De lage FF is gerationaliseerd in termen van de isolerende eigenschap van LiF, die de elektroneninjectie/-extractie blokkeert wanneer de LiF-laag te dik is en dus leidt tot de grote serieweerstand (R _s ) en kleine shuntweerstand (R _sh ) van het apparaat zoals weergegeven in Tabel 1 (R _s en R _sh werden berekend op basis van de inverse helling van foto J -V curve bij 0 mA/cm ² en 0 V, respectievelijk). Wat betreft de J _sc , de normale waarde (9,23 mA/cm ² ) houdt in dat het ingebouwde elektrische bestand in het apparaat (van het verschil in werkfunctie tussen anode en kathode) voldoende is om het elektronentransport door LiF (5 nm) CBL door tunneling te bevorderen. Na de introductie van 3 nm dikke C₆₀ laag tussen P3HT:PCBM en LiF (5 nm) lagen, verdwijnt de S-vorm en neemt de FF aanzienlijk toe van 32,4 tot 56,3%. De verhoogde FF komt voort uit de verminderde R _s , wat inhoudt dat de C₆₀ (3 nm)/LiF (5 nm) dubbellaag heeft een betere elektrische geleidbaarheid dan een enkele LiF (5 nm) laag. Met de toename van C₆₀ dikte, neemt de FF eerst toe, bereikt een maximale waarde van 67% bij 8 nm en neemt vervolgens iets af met verder toenemende C₆₀ dikte. Vanwege het herstel van FF is de C₆₀ Op /LiF (5 nm) gebaseerde apparaten hebben een maximale PCE van 3,65%, wat twee keer hoger is dan die (1,79%) van apparaten met alleen LiF (5 nm). Om de reproduceerbaarheid van de resultaten aan te tonen, werden de gemiddelde fotovoltaïsche parameters en standaarddeviaties van de bestudeerde apparaten berekend uit een batch van vijf apparaten, zoals weergegeven in Aanvullend bestand 1:Tabel S1. Voor elk apparaat zijn alle parameters inclusief J _sc , V _oc , FF en PCE zijn zeer reproduceerbaar met weinig variatie, wat de betrouwbaarheid van de resultaten in tabel 1 valideert.

J -V kenmerken, geregistreerd onder 100 mW/cm ² verlichting (AM 1.5 G), van de PSC's met en zonder verschillende diktes van C₆₀ ingevoegd tussen P3HT:PCBM en 5 nm dikke LiF-laag

Om de redenen te vinden die leiden tot de hoge FF voor de C₆₀ /LiF (5 nm)-gebaseerde PSC's, werden AFM-metingen uitgevoerd om de morfologie van de LiF-laag op de C₆₀ te onderzoeken oppervlakte. Afbeelding 2 toont de hoogte (boven) en fase (onder) beelden, opgenomen door op AFM te tikken, van de P3HT:PCBM-films zonder en met de C₆₀ (35 nm), LiF (5 nm) en C₆₀ (35 nm)/LiF (5 nm) lagen afgezet bovenop (beeldgrootte 500 nm × 500 nm). De ongerepte P3HT:PCBM-film vertoont een zeer glad oppervlak met een lage wortel-mean-square (rms) ruwheid van 0,81 nm (hoogtebeeld) en toont fibrillaire kristallijne domeinen van P3HT (fasebeeld) [29]. Na het deponeren van 35 nm dikke C₆₀ en 5 nm dikke LiF bovenop, neemt de rms-ruwheid toe tot respectievelijk 1,36 en 1,67 nm. Hoewel er geen significant verschil is in rms-ruwheid tussen de bovenste C₆₀ en LiF-lagen, zijn de oppervlaktemorfologieën van deze twee films heel verschillend. De 35 nm dikke C₆₀ toont grotere aggregaten (bolvorm) in vergelijking met LiF van 5 nm dik, wat ook kan worden waargenomen in hun fasebeelden. Bij het deponeren van de C₆₀ (35 nm)/LiF (5 nm) dubbellaag op de P3HT:PCBM-film, zowel de C₆₀ (groot formaat) en LiF (klein formaat) aggregaten worden waargenomen, wat aangeeft dat de onderliggende C₆₀ laag wordt niet volledig bedekt door 5 nm dik LiF. Daarom vindt er wat vermenging plaats op de C₆₀ /LiF-interface, wat resulteert in de goede elektrische geleidbaarheid van C₆₀ /LiF (5 nm) dubbellaag rekening houdend met het percolatiepad gevormd door C₆₀ moleculen.

Tikmodus AFM-hoogte (boven) en fase (onder) afbeeldingen van P3HT:PCBM, P3HT:PCBM/C₆₀ (35 nm), P3HT:PCBM/LiF (5 nm) en P3HT:PCBM/C₆₀ (35 nm)/LiF (5 nm)-films. De corresponderende RMS-ruwheden zijn respectievelijk 0,81, 1,36, 1,67 en 2,18 nm

Om de invloed van de C₆₀ . verder te onderzoeken /LiF dubbele CBL's op de apparaatprestaties van PSC's, we repareren de C₆₀ dikte bij de optimale waarde van 25 nm terwijl de LiF-dikte wordt gewijzigd van 0,5 naar 8 nm. Ter vergelijking:de apparaten met LiF single CBL zijn ook gefabriceerd. Afbeelding 3 toont de J -V kenmerken, geregistreerd onder 100 mW/cm ² verlichting (AM 1.5 G) van de PSC's met LiF single en C₆₀ /LiF dubbele CBL's met verschillende diktes van LiF. De overeenkomstige fotovoltaïsche parameters van de apparaten zijn samengevat in tabel 2. De apparaten met LiF single CBL hebben een maximale PCE van 3,06% bij de optimale LiF-dikte van 1 nm. Verdere vergroting van de dikte leidt tot een snelle afname van PCE tot 0,79% bij 6 nm en 0,06% bij 8 nm. De apparaten met C₆₀ . daarentegen (25 nm)/LiF dubbele CBL's vertonen verbeterde prestaties met een piekefficiëntie van 3,77% bij een LiF-dikte van 1 nm. Wat nog belangrijker is, als de dikte toeneemt tot 6 en 8 nm, worden PCE's van respectievelijk 2,65 en 1,10% bereikt, die aanzienlijk hoger zijn dan die van apparaten met alleen LiF. Er moet worden vermeld dat de resultaten in tabel 2 ook zeer reproduceerbaar zijn, zoals blijkt uit de zeer kleine standaarddeviaties van de karakteristieke parameters van het apparaat (aanvullend bestand 1:tabel S2). De standaarddeviatie van de apparaatefficiëntie is bijvoorbeeld minder dan 0,2% (0,1% voor de meeste apparaten), wat wijst op een hoge reproduceerbaarheid. Verder vertoont de gemiddelde PCE dezelfde trend als waargenomen in Tabel 2, wat impliceert dat de vergelijking van efficiëntie tussen verschillende groepen betrouwbaar is.

J -V kenmerken, geregistreerd onder 100 mW/cm ² verlichting (AM 1.5 G) van de PSC's met a LiF enkel en b C₆₀ (25 nm)/LiF dubbele CBL's met verschillende diktes van LiF

Zoals weergegeven in tabel 2, is de verbetering in PCE voor de C₆₀ (25 nm)/LiF-gebaseerde PSC's komen voornamelijk voort uit de toename van FF en J _sc vanwege de verminderde R _s . Om de R . beter te begrijpen _s reductie onderzoeken we de ladingstransporteigenschappen van de LiF enkele laag en C₆₀ /LiF dubbellaag met behulp van de foto-CELIV-techniek [30, 31]. Aanvullend bestand 1:Afbeelding S1 toont de foto-CELIV-stroomtransiënten, geregistreerd bij verschillende spanningsstijgingssnelheden, voor de PSC's met de LiF single en C₆₀ /LiF dubbele CBL's. In foto-CELIV is de maximale extractietijd (t _max ) wordt gebruikt voor het schatten van de mobiliteit van ladingsdragers volgens Vgl. 1 [27]. De berekende mobiliteiten van het LiF-apparaat (6 nm) zijn 3,71, 3,40 en 3,59 × 10 ^− 5 cm ² V ^− 1 s ^− 1 voor de spanningshellingen van respectievelijk 10, 20 en 30 kV/s, wat impliceert dat de mobiliteit onafhankelijk is van de snelheid van de spanningsstijging. Daarentegen zijn de geschatte mobiliteiten van de C₆₀ (25 nm)/LiF (6 nm)-gebaseerde apparaten zijn 3,81, 3,56 en 3,09 × 10 ^− 4 cm ² V ^− 1 s ^− 1 voor de spanningshellingen van respectievelijk 10, 20 en 30 kV/s, die een orde van grootte hoger zijn dan die van het LiF-apparaat (6 nm). De toegenomen mobiliteit na de introductie van een C₆₀ laag kan worden toegeschreven aan de verbeterde elektrische geleidbaarheid die voortvloeit uit de vermenging die plaatsvond op de C₆₀ /LiF-interface. Bovendien wordt opgemerkt dat de foto-CELIV-piek voor het LiF-apparaat (6 nm) alleen breder is dan die voor de C₆₀ (25 nm)/LiF (6 nm)-gebaseerd apparaat, wat wijst op een meer verspreid ladingstransport als gevolg van de grotere onbalans tussen de mobiliteit van elektronen en gaten [32, 33]. Deze onbalans wordt toegeschreven aan de extreem lage elektronenmobiliteit voor het apparaat met alleen LiF (6 nm), aangezien de extractie van elektronen wordt geblokkeerd door de dikke LiF-laag. De geaccumuleerde elektronen op de P3HT:PCBM/LiF-interface screenen het aangelegde elektrische veld en verlagen daardoor de snelheid van ladingsextractie in het apparaat. Daarentegen is de smalle piek voor de C₆₀ (25 nm)/LiF (6 nm)-gebaseerd apparaat impliceert de uitgebalanceerde mobiliteit van elektronen en gaten, evenals de verbeterde elektronenextractie dankzij de goede geleidbaarheid van de C₆₀ (25 nm)/LiF (6 nm) dubbellaags.

Naast de aanzienlijke verbetering in FF, is de J _sc is enigszins verbeterd na opname van C₆₀ (25 nm) laag. Aangezien de spin-gecoate P3HT:PCBM-blendfilm bestaat uit een P3HT-rijk gebied nabij het bovenoppervlak [34, 35], speculeren we dat de excitonen die in dit gebied worden gegenereerd, kunnen worden gedissocieerd op de P3HT/C₆₀ interface voor C₆₀ (25 nm)/LiF-gebaseerde apparaten, wat leidt tot de verhoogde J _sc vergeleken met de apparaten zonder de C₆₀ tussenlaag. Om deze speculatie te verifiëren, hebben we de PSC's gefabriceerd met een apparaatstructuur van ITO/PEDOT:PSS/P3HT/C₆₀ (25 nm)/LiF/Al, waarbij de dikte van P3HT wordt gevarieerd van 5 tot 100 nm. Afbeelding 4 toont de J-V kenmerken van deze apparaten onder 100 mW/cm ² verlichting (AM 1.5 G), en de bijbehorende fotovoltaïsche parameters zijn samengevat in Aanvullend bestand 1:Tabel S3. Het blijkt dat de J _sc van P3HT/C₆₀ -gebaseerde zonnecellen nemen toe naarmate de P3HT-dikte afneemt, wat wordt gerationaliseerd in termen van de beperkte exciton-diffusielengte in P3HT (~  10 nm). De J _sc bereikt een maximale waarde van 1,34 mA/cm ² bij de P3HT-dikte van 10 nm en daalt vervolgens met verdere afname van de dikte tot 5 nm vanwege onvoldoende absorptie. Zoals hierboven vermeld, zijn dergelijke P3HT/C₆₀ subcel wordt hoogstwaarschijnlijk gevormd na het afzetten van 25 nm dikke C₆₀ bovenop de P3HT:PCBM actieve laag, wat resulteert in een 1,34 mA/cm ² toename in J _sc onder ideale omstandigheden voor C₆₀ /LiF-gebaseerde apparaten [36]. Door de J . te vergelijken _sc waarden van de apparaten met en zonder de C₆₀ (25 nm) tussenlaag, de verbetering in J _sc is ongeveer 1 mA/cm ² (behalve de op LiF (8 nm) gebaseerde apparaten), wat in overeenstemming is met onze speculatie.

J -V kenmerken van de PSC's met de apparaatstructuur van ITO/PEDOT:PSS/P3HT (x nm)/C₆₀ (25 nm)/LiF (1 nm)/Al met verschillende diktes van P3HT

Na de introductie van een C₆₀ laag tussen de P3HT:PCBM- en LiF-lagen, is de optische veldverdeling binnen de zonnecel hoogstwaarschijnlijk gewijzigd, wat de variatie in J zal veroorzaken _sc [26, 37]. Om dit effect te onderzoeken, hebben we eerst de elektrische veldintensiteit in de P3HT:PCBM actieve laag gesimuleerd voor de apparaten met en zonder de C₆₀ tussenlaag. Zoals weergegeven in Aanvullend bestand 1:Afbeelding S2a, de geïntegreerde veldintensiteit voor de apparaten met een C₆₀ laag is zwakker in het korte-golflengtegebied en sterker in het lange-golflengtegebied in vergelijking met het apparaat zonder C₆₀ tussenlaag. Deze trend wordt opmerkelijker en tegelijkertijd wordt een roodverschuiving waargenomen bij het verhogen van de C₆₀ dikte. Aanvullend bestand 1:Figuur S2b toont de absorptiespectra van de ongerepte C₆₀ film en de P3HT:PCBM-films met en zonder verschillende CBL's erop afgezet. Vergelijking van de absorptiespectra van P3HT:PCBM/C₆₀ (25 nm) films met en zonder 8 nm dik LiF, de twee curven overlappen elkaar bijna volledig, wat aangeeft dat LiF geen zichtbaar licht absorbeert. Aan de andere kant, de P3HT:PCBM/C₆₀ films hebben een hogere absorptie in het golflengtebereik van 400 ~ 510 nm en 580 ~ 680 nm in vergelijking met de ongerepte P3HT:PCBM-film. Deze verbetering van de absorptie wordt meer uitgesproken met toenemende C₆₀ dikte. Intuïtief komt de absorptieverbetering in het golflengtebereik van 400 ~ 510 nm voort uit de C₆₀ absorptie (400~550 nm). Aanvullend bestand 1:Afbeelding S2c toont de invallende foton-naar-stroom conversie-efficiëntie (IPCE) spectra van de PSC's met LiF (5 nm) single en C₆₀ (25 nm)/LiF (5 nm) dubbele CBL's. Vergeleken met het LiF-only apparaat, is het apparaat met C₆₀ /LiF dubbele CBL's hebben een lagere IPCE bij de korte golflengten vanwege de parasitaire absorptie in de C₆₀ film, en vertoont een hogere IPCE bij lange golflengten, dankzij het optische afstandseffect en de bijdrage van P3HT/C₆₀ subcel.

Uit tabel 2 blijkt dat de C₆₀ (25 nm)/LiF (8 nm)-gebaseerd apparaat vertoont een lage PCE van 1,10%, hoewel deze efficiëntie nog steeds veel hoger is dan die (0,06%) van het apparaat met alleen LiF (8 nm). De lage PCE is het resultaat van de kleine J _sc en FF, wat wordt veroorzaakt door de grote R _s . Zoals hierboven besproken, is de C₆₀ (35 nm)/LiF (5 nm) film heeft een goede elektrische geleidbaarheid vanwege de vorming van de gemengde morfologie tussen C₆₀ en LiF-lagen (zie Fig. 2). De reden vinden voor de hoge weerstand van de C₆₀ (25 nm)/LiF (8 nm) film, AFM-metingen werden uitgevoerd op P3HT:PCBM-films zonder en met de C₆₀ (25 nm), LiF (8 nm) en C₆₀ (25 nm)/LiF (8 nm) lagen bovenop afgezet. Zoals getoond in Aanvullend bestand 1:Figuur S3, worden grote bolvormige aggregaten gevormd in de C₆₀ (25 nm) film terwijl relatief kleine aggregaten worden gevormd in de LiF (8 nm) film, wat vergelijkbaar is met de waarneming in Fig. 2. Bij het afzetten van 8 nm dik LiF bovenop de C₆₀ (25 nm) laag, lijkt de morfologie (kleine aggregaten) erg op die van de ongerepte LiF-film, wat aangeeft dat de onderliggende C₆₀ aggregaten zijn volledig bedekt door 8 nm dik LiF. Daarom speculeren we dat een dikke LiF zich ophoopt aan de bovenkant van de C₆₀ (25 nm)/LiF (8 nm) dubbellaagse film, die de elektronenextractie belemmert en daarom leidt tot de hoge R _s van het apparaat.