Nano Energy：倒置结构 PCBM:P3HT有机太阳能电池的原位能带阵列研究

【引言】

与传统太阳能电池相比，倒置结构的薄膜有机太阳能电池具有较高的能量转换效率及优异的循环稳定性能，且其能带深度独特性强，因而备受关注。人们希望理解倒置装置中薄膜电极的界面能量在能量深度图中突变能量的偏移。大量对活性层与夹层间界面的研究结果表明，界面的偶极子是导致电场分布不均匀及电荷势垒形成的重要原因。然而，目前对整个倒置结构电池能带深度剖面的表征研究还很少。截面的SKPM就是一种在真空水平下研究薄膜电池能带深度的有效手段。

【成果简介】

最近，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所陈立桅研究员（通讯作者）等人在Nano Energy上发表题为“Energy band alignment in operando inverted structure P3HT:PCBM organic solar cells”的文章，文中报道了一种通过Kelvin 探针显微镜直接原位观测的具有倒置结构的聚3-乙基噻吩：[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯太阳能电池中的能量带阵列和内建场的分布。研究人员观察到悬臂与末端间的卷曲阻碍了倒置结构电池的表征，且卷曲到一定角度后界面引起突变能的偏移会被完全覆盖，从而可能导致真空水平与极性成反比。研究人员通过一种反卷积方法成功解决了这一问题。 采用校准分子束外延生长方法获得的GaInP/GaAs参比样品以及通过反卷积计算抑制了SKPM中末端和悬臂的卷积。研究结果证明了界面机制与界面效应在倒置结构有机太阳能电池中对能级阵列和电场不均匀分布的决定性作用。

【图文导读】

图1：SKPM示意图与理论计算和实验数据对比图。

（a）SKPM测试装置示意图；

（b）计算结果与实验结果对比图。

图2：ZnO（20 nm），MoO_x（20 nm）相关图片。

（a）ITO/ZnO（20 nm）/P3HT:PCBM/MoOx(10 nm)电池界面SEM图；

（b）末端位置1暗场下的SP图像；

（c）末端位置2暗场下的SP图像；

（d）（b）（黑框）和（c）（红圈）的提取SP曲线图；

（e）TGT1的几何校准示意图；

（f）末端曲线图，内部小图为全谱图；

（g）位置2暗场下的SP图；

（h）位置2暗场下，从20-120 nm的不同末端样品距离下的提取SP曲线图。

图3：GaInP/GaAs异质结相关图片。

（a）GaInP/GaAs异质结SEM图；

（b）位置1的GaInP/GaAs异质结的SP图；

（c）位置2的GaInP/GaAs异质结的SP图；

（d）实际的位置1（黑框）、2（红圈）的SP曲线与计算所得SP曲线对比图；

（e）转换方程拟合图；

（f）位置1、2基于反卷积方程的SP图；

（g）位置2下，不同距离的GaInP/GaAs异质结的SP图；

（h）位置2，转换方程不同距离的拟合曲线；

（i）位置2，基于转换方程不同距离下的SP图。

图4 ：具有薄界面层电池的SP曲线图。

图5：ZnO（80 nm），MoO_x（80 nm）相关图片。

（a）ITO/ZnO（80 nm）/P3HT:PCBM/MoO_x(80 nm)电池界面SEM图；

（b）暗场下，开路下的电池SP图

（c）光照条件下，开路下的电池SP图；

（d）不同条件下的SP图；

（e）位置3转换方程拟合图；

（f）不同条件下的反卷积的SP图。

图6：倒置结构有机太阳能电池在不同条件下的能带图。

（a）黑暗条件下的能带图；

（b）光照条件下的能带图；

（c）开路条件下的能带图。

【小结】

尽管本文只研究了选区截面的SKPM测试方法在PSHT:PCBM有机太阳能电池中的应用，但它也可被应用于其他有机太阳能电池或光电子装置中。虽然本文解决了部分卷积问题，但SKPM的长远应用依然面临着精度问题（包括图片分辨率、能量分辨率及微尺度界面问题）等很多挑战。

文献链接：Energy band alignment in operando inverted structure P3HT:PCBM organic solar cells (Nano energy, 2017, DOI: 10.1016/j.nanoen.2017.08.050)

本文有材料人编辑部材料菜鸟编辑，雪琰审核，点击我加入材料人编辑部。

材料测试，数据分析，上测试谷！