Microscopie de force Kelvin en coupe transversale révèle un creux de potentiel et une barrière de Schottky dans les cellules solaires à hétérojonction de volume épaisses PCDTBT:PCBM
La microscopie de force Kelvin (KPFM) a été utilisée pour cartographier la distribution de potentiel en coupe transversale d'une cellule solaire à hétérojonction de volume (BHJ) PCDTBT:PCBM à haute tension de circuit ouvert. La chute de potentiel est confinée à l'interface cathodique, confirmant le comportement de type p de la couche photoactive. Dans la région centrale sans champ, les potentiels mesurés suivent une distribution log-normale, indiquant un large désordre énergétique capable de piéger les trous et d'augmenter la recombinaison bimoléculaire. Une barrière de Schottky à l'interface anodique entrave davantage l'extraction des charges, tandis que le gradient de potentiel dans la région de déplétion peut atténuer le creux en abaissant la barrière pour les porteurs piégés. Les photovoltaïques organiques (OPV) promettent des solutions solaires à faible coût et flexibles, mais leur viabilité commerciale dépend d'efficacités de conversion de puissance (PCE) supérieures à 10 %. Les progrès récents ont été stimulés par de nouveaux matériaux donneur/accepteur et des protocoles de fabrication optimisés. Le couple classique P3HT:PCBM a atteint 3 à 5 % de PCE, mais des couches actives plus épaisses, nécessaires pour une absorption lumineuse accrue, souffrent d'une efficacité de collecte de charge réduite due à une recombinaison et un désordre énergétique accrus. La KPFM en coupe transversale offre un aperçu à l'échelle nanométrique des champs électriques internes et des paysages de potentiel, mais la plupart des études se sont concentrées sur le système P3HT:PCBM. Ici, nous étendons cette approche à la BHJ PCDTBT:PCBM, un matériau qui présente une efficacité quantique interne proche de l'unité dans les dispositifs minces mais subit des pertes de performance dans les films épais. Le PCDTBT (donneur) et le PCBM soluble (accepteur) ont été déposés par centrifugation pour former des couches actives de 70 à 150 nm d'épaisseur sur une couche de transport de trous (HTL) en PEDOT:PSS de 20 nm atop ITO. Les cathodes en aluminium ont été évaporées sous vide élevé. Pour la KPFM, une couche active de 200 nm sur une anode PEDOT:PSS hautement conductrice a été clivée dans l'azote liquide pour exposer une coupe transversale lisse. Les courbes J-V ont été enregistrées avec un Keithley 236 sous illumination AM 1.5G (100 mW cm⁻²). La KPFM (n-Tracer Nanofocus) a été réalisée dans de l'azote sec ; la topographie AFM et la différence de potentiel de contact (CPD) modulée en fréquence ont été acquises simultanément à l'aide d'un cantilever revêtu Pt/Ir (350 kHz). L'augmentation de l'épaisseur de la couche active décale le courant de court-circuit (J_SC) en raison d'effets d'interférence, tandis que la tension de circuit ouvert (V_OC) reste constante, indiquant un potentiel built-in inchangé. Cependant, le facteur de forme (FF) diminue régulièrement avec l'épaisseur, reflétant une moins bonne collecte de charge. La topographie KPFM (Fig. 3a) montre une surface clivée lisse avec une rugosité RMS <200 nm. L'imagerie de phase (Fig. 3b) délimite l'interface PEDOT:PSS/PCDTBT:PCBM. La cartographie CPD (Fig. 3c) révèle une chute de potentiel abrupte confinée du côté cathodique (≈70 nm), caractéristique de la région de déplétion. La région médiane près de l'anode est sans champ, confirmant que la BHJ se comporte comme un semi-conducteur de type p effectif. Un creux de potentiel prononcé apparaît près de l'interface anodique (Fig. 3c). Pour confirmer son étendue spatiale, une zone plus large a été imagerie (Fig. 4). L'image CPD montre des taches brillantes et sombres aléatoires à travers la BHJ, indiquant un large désordre énergétique suivant une distribution log-normale (Fig. 4d). La queue longue de la distribution (σ ≈ 400 meV) suggère une densité élevée d'états de piégeage profonds, qui peuvent capturer les trous et augmenter la recombinaison bimoléculaire. Les potentiels mesurés se traduisent par un diagramme de bandes d'énergie (Fig. 5a) où l'anode PEDOT:PSS forme une barrière de Schottky de 0,4 eV avec le HOMO profond du PCDTBT. Cette barrière allonge le temps de résidence des trous, augmentant la probabilité de recombinaison. Le creux de potentiel dans la région sans champ (Fig. 5b) est une manifestation du band bending induit par dipôle causé par la distribution des pièges à trous. Si la couche active était plus mince (≈70 nm), le champ de déplétion chevaucherait le creux, abaissant efficacement la barrière de Schottky (abaissement de la barrière de Schottky) et facilitant l'extraction de charge. Le remplacement du PEDOT:PSS par une HTL à fonction de travail plus profonde comme le MoOx transformerait la jonction anodique en contact ohmique, améliorant davantage l'efficacité d'extraction. Néanmoins, le désordre énergétique intrinsèque reste un goulot d'étranglement pour les dispositifs épais, soulignant l'importance de couches actives minces et de haute qualité ou d'ingénierie interfaciale avancée. La KPFM en coupe transversale de cellules BHJ PCDTBT:PCBM épaisses a révélé une barrière de Schottky à l'anode et un creux de potentiel à distribution log-normale dans la région sans champ. Ces caractéristiques piègent les trous et augmentent la recombinaison bimoléculaire, expliquant la baisse observée du facteur de forme pour les films plus épais. Les stratégies d'atténuation incluent l'utilisation de HTL à fonction de travail plus profonde pour éliminer la barrière de Schottky et la conception de dispositifs avec des épaisseurs de couche active comparables à la largeur de déplétion pour supprimer le creux de potentiel via l'abaissement de la barrière de Schottky.Résumé
Contexte
Méthodes
Matériaux et fabrication des dispositifs
Caractérisation électrique et KPFM
Résultats et discussion
Performance photovoltaïque dépendante de l'épaisseur
Cartographie du potentiel en coupe transversale
Diagramme de bandes d'énergie et implications
Conclusions
Abréviations
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