Dikke LiF Kathode Bufferlaag Verbeterd door C60 Tussenlaag Verhoogt Efficiëntie van Polymere Zonnecellen

Samenvatting

Lithiumfluoride (LiF) is een bewezen kathode bufferlaag (CBL) in bulk-heterojunctie polymere zonnecellen (PSCs). Conventionele LiF-lagen zijn beperkt tot ~1 nm vanwege hun isolerende aard, wat de depositiecontrole bemoeilijkt en onvoldoende bescherming biedt aan de onderliggende actieve laag. Hier demonstreren we dat een veel dikkere LiF-laag kan worden gebruikt zonder efficiëntieverlies door een dunne C60 tussenlaag tussen het actieve materiaal en LiF in te voegen. PSCs met een C60 (3 nm)/LiF (5 nm) bilaag bereiken een piek vermogen-omzettingsefficiëntie (PCE) van 3,65%, tweemaal de 1,79% verkregen met een 5-nm LiF laag alleen. De verbeterde prestaties ontstaan voornamelijk uit verbeterde elektrische geleiding aan het C60/LiF interface door intermenging, de vorming van een P3HT/C60 sub-cel, en het optische spacer effect van C60. Wanneer de LiF-dikte wordt verhoogd tot 8 nm, levert de C60/LiF bilaag nog steeds een PCE van 1,10% op, terwijl een enkele LiF-laag verwaarloosbare activiteit toont. Deze resultaten bevestigen dat een C60/LiF bilaag een robuuste alternatief is voor dunne LiF, met hoge tolerantie voor diktevariaties.

Achtergrond

Oplossingsverwerkte bulk-heterojunctie polymere zonnecellen hebben veel aandacht getrokken vanwege hun lage kosten, flexibiliteit en schaalbaarheid. Hun vermogen-omzettingsefficiënten (PCEs) blijven echter onder die van silicium fotovoltaïsche cellen. Recente doorbraken, die 11-13% bereiken, stammen van nieuwe donor polymeren en niet-fullereen acceptoren. Daarnaast kan het invoegen van anode of kathode bufferlagen (ABLs/CBLs) de prestaties verder verbeteren.

In conventionele PSCs wordt de ITO anode aangevuld door een lage-werkfunctie kathode buffer zoals Ca. Helaas oxideert Ca gemakkelijk, wat de stabiliteit ondermijnt. Lithiumfluoride (LiF) is een veelgebruikte CBL omdat het een interfacele dipool creëert die de kathode werkfunctie verlaagt. Niettemin beperkt LiF's isolerende karakter de praktische dikte tot minder dan 2 nm, typisch ~1 nm, wat nauwkeurige depositie lastig maakt en onvoldoende bescherming biedt tijdens metaaldamping.

Om deze beperkingen te overwinnen, rapporteerden we eerder een meervoudige C60/LiF stapel die hoge geleidbaarheid behield zelfs met dikke LiF-lagen, maar de depositievolgorde was complex en kostbaar. In dit werk vereenvoudigen we de architectuur door een enkele C60/LiF bilaag te gebruiken. Door een C60 tussenlaag voor LiF te depositieren, kunnen we een dikker LiF gebruiken zonder efficiëntieverlies. Apparaten met C60 (25 nm)/LiF (1-6 nm) behouden ~3% PCE, terwijl een 5-nm LiF alleen scherp daalt. De piekefficiëntie van 3,77% voor de bilaag is ~23% hoger dan de 3,06% van LiF-enkel apparaten, wat de superioriteit van de bilaag demonstreert.

Methoden

Fabricatie van PSCs

ITO-gelamineerde glas substrates (Delta Technologies, LTD) werden gereinigd in acetone en isopropylalcohol (IPA) door sonicatie (5 min elk) en vervolgens behandeld met O2 plasma (60 s) om het oppervlak hydrofiel te maken. Een gefilterde PEDOT:PSS (Clevios PH 500, H.C. Starck) oplossing werd gespindop laag bij 2000 rpm voor 50 s en gebakken bij 110 °C voor 20 min onder stikstof. De monsters werden vervolgens overgebracht naar een N2-gepurgeerde handskoekenbak (<0,1 ppm O2/H2O) voor het spindoopen van de fotoactieve laag.

P3HT (Rieke Metals Inc., 4002-EE, 91-94% regio-regulariteit) en PCBM (American Dye Source, >99,5% zuiverheid) werden opgelost in chlorbenzeen in een 1:1 gewichtsverhouding. De oplossing werd gefilterd (0,45 µm) en gespindop laag op de PEDOT:PSS bij 1000 rpm voor 50 s, gevolgd door thermische annealing bij 130 °C voor 20 min. Dit proces levert een ~160 nm actieve laag op (gemeten met Dektek profilometer). Sequentieel thermische verdamping (basisdruk 1 × 10⁻⁶ mbar) depositierde C60, LiF, en Al (75 nm). Een 1 mm cirkelvormige schaduwmasker definieerde het actieve oppervlak voor Al depositie.

Karakterisatie

Stroomdichtheid-spanning (J-V) kenmerken werden opgenomen met een Keithley 2400 onder gesimuleerde AM 1.5 G (100 mW cm⁻²) verlichting, gekalibreerd tegen een referentie silicium cel. Metingen werden binnen de handskoekenbak uitgevoerd. Atoomkrachtmicroscopie (AFM) beelden werden vastgelegd in tappende modus met een Veeco Dimension-Icon. UV/Vis absorptiespectra werden verkregen met een Varian Cary 50. Foto-geïnduceerde ladingsextractie door lineair toenemende spanning (Photo-CELIV) werd uitgevoerd op PSCs onder omgevingsomstandigheden: een gepulste N2 laser (337,1 nm, 1,4 ns) genereerde ladingsdragers, gevolgd door een omgekeerde bias ramp na een 100 µs vertraging. Stroomtransienten werden opgeslagen op een digitale oscilloscop (50 Ω ingang). Ladingsdrager mobiliteit (μ) werd berekend uit de standaard Photo-CELIV vergelijking: μ = (2d²)/(3A t_max²[1+0,36Δj/j(0)]).

Resultaten en Discussie

Figuur 1 illustreert de J-V kurven van PSCs met en zonder een C60 tussenlaag tussen de actieve laag en een 5-nm LiF buffer. Apparaten zonder C60 vertonen een uitgesproken S-vormige curve, wat leidt tot een lage vulfactor (FF) en daardoor verminderde PCE, ondanks normale Jsc en Voc waarden. De S-vorm ontstaat door LiF's isolerende aard, wat de series weerstand (Rs) verhoogt en de shunt weerstand (Rsh) verlaagt. Het introduceren van een 3-nm C60 laag elimineert de S-vorm en verhoogt FF van 32,4% naar 56,3%. FF piekt bij 67% voor een 8-nm C60 laag voordat het iets daalt met verdere dikte. De overeenkomstige PCE stijgt tot 3,65%, tweemaal de 1,79% van het LiF-enkel apparaat. Apparaatparameters zijn hoog reproduceerbaar (standaardafwijkingen <0,2%), wat de betrouwbaarheid van deze resultaten bevestigt.

AFM analyse (Figuur 2) onthult dat de C60 laag grote sferische aggregaten vormt, terwijl LiF als kleinere eilanden depositiert. Wanneer de 5-nm LiF wordt verdampt op de 35-nm C60 laag, blijven de onderliggende C60 aggregaten deels blootgesteld, wat leidt tot intermenging aan het C60/LiF interface. Deze gemengde morfologie biedt een percolatie netwerk dat de elektrische geleiding van de bilaag verbetert, zoals bewijzen door de verbeterde FF.

Figuur 3 vergelijkt apparaten met een enkele LiF CBL en een C60/LiF bilaag terwijl de LiF-dikte varieert van 0,5 tot 8 nm. LiF-enkel apparaten bereiken een maximum PCE van 3,06% bij 1 nm, maar de prestaties dalen scherp naar 0,79% (6 nm) en 0,06% (8 nm). In tegenstelling behouden C60 (25 nm)/LiF bilagen hoge efficiënten: 3,77% bij 1 nm, 2,65% bij 6 nm, en 1,10% bij 8 nm. De verbetering komt door een hogere FF en Jsc, toeschrijfbaar aan verminderde Rs. Photo-CELIV metingen (Figuur S1) tonen aan dat de C60/LiF bilaag de elektronenmobiliteit met een orde van grootte vergroot ten opzichte van LiF alleen, wat verbeterde ladingsverplaatsing bevestigt.

Nader onderzoek toont aan dat de C60 tussenlaag ook Jsc verbetert door de vorming van een P3HT/C60 sub-cel en optisch spacer effect te fungeren. Apparaten met ITO/PEDOT:PSS/P3HT/C60 (25 nm)/LiF/Al en variërende P3HT-dikte tonen aan dat Jsc piekt wanneer de P3HT laag ~10 nm is, wat overeenkomt met de exciton diffusielengte in P3HT (~10 nm). Dit effect rekent voor een additionele ~1 mA cm⁻² toename in Jsc in de bilaag apparaten.

Simulaties van de elektrische veldverdeling (Figuur S2a) onthullen dat het incorporeren van C60 het kort-golflengte veld verzwakt maar het versterkt bij langere golflengtes, wat leidt tot een rood-verschuivend absorptieprofiel. Optische spectra (Figuur S2b) bevestigen dat de C60/LiF bilaag geen additionele absorptie in het zichtbare bereik introduceert, terwijl de absorptie in de 400-510 nm en 580-680 nm vensters versterkt wordt. Incident foton-naar-stroom omzettingsefficiëntie (IPCE) metingen (Figuur S2c) tonen een bescheiden afname bij korte golflengtes (vanwege C60 parasitaire absorptie) maar een opvallende toename bij langere golflengtes, wat het optische spacer effect en sub-cel bijdrage weerspiegelt.

Wanneer de LiF laag 8 nm bereikt, daalt de C60/LiF bilaag's PCE tot 1,10% door verhoogde Rs. AFM beelden (Figuur S3) tonen aan dat bij deze dikte de LiF de C60 aggregaten volledig bedekt, wat intermenging verhindert en een blokkerende laag creëert die elektronextractie hindert. Gevolgd blijft de bilaag toleranter voor LiF diktevariaties dan een enkele LiF laag.

Conclusies

We hebben aangetoond dat een dikke LiF buffer succesvol kan worden gebruikt in P3HT:PCBM PSCs door een C60 tussenlaag te introduceren. De C60 (25 nm)/LiF (5 nm) bilaag levert een piek PCE van 3,65%, het dubbele van het LiF-enkel apparaat (1,79%). De prestatiewinsten komen van een hogere FF - dankzij het geleidende C60/LiF interface - en een bescheiden Jsc toename van de P3HT/C60 sub-cel en optische spacer effect. Zelfs bij 8 nm LiF behoudt de bilaag een PCE van 1,10% versus 0,06% voor LiF alleen. De daling bij 8 nm wordt toegeschreven aan het gebrek aan intermenging en de resulterende elektronen transportbarrière. Over het algemeen biedt de C60/LiF bilaag een eenvoudige, kosteneffectieve route naar robuuste, hoge-efficiëntie PSCs met ontspannen LiF diktebeperkingen.