5-nm-LiF als effiziente Kathodenpufferschicht in Polymersolarzellen durch einfaches Einbringen einer C60-Zwischenschicht

Hintergrund

Lösungsprozessierte Bulk-Heterojunction-Polymersolarzellen (PSCs) haben in den letzten Jahrzehnten aufgrund ihrer potenziellen Vorteile wie geringe Kosten, geringes Gewicht und Möglichkeit zur Herstellung großer, flexibler und halbtransparenter Bauelemente zunehmende Aufmerksamkeit erfahren [1,2,3 ,4,5]. Die im Vergleich zu siliziumbasierten Solarzellen relativ niedrige Leistungsumwandlungseffizienz (Power Conversion Efficiency, PCE) ist immer noch eine große Einschränkung, die ihre praktische Anwendung behindert. Um die Kommerzialisierung dieser vielversprechenden Technologie zu erreichen, konzentrierten sich umfangreiche Forschungsanstrengungen auf die Steigerung der Effizienz von PSCs. Bisher wurden PCEs im Bereich von 11–13% nachgewiesen, hauptsächlich aufgrund der Entwicklung neuer konjugierter Polymerdonor- und Nicht-Fulleren-Akzeptormaterialien [6,7,8,9,10,11,12]. Außerdem bietet die Einführung einer Anoden-/Kathoden-Pufferschicht zwischen der aktiven Schicht und der Elektrode ein weiteres effizientes Mittel zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit der Vorrichtung [13,14,15,16,17,18,19,20,21].

PSCs lassen sich in konventionelle und invertierte Strukturen einteilen, je nachdem, ob die Indium-Zinn-Oxid (ITO)-Elektrode als Anode oder Kathode dient. Bei herkömmlichen PSCs mit ITO als Anode wird üblicherweise ein Metall mit niedriger Austrittsarbeit wie Ca als Kathodenpufferschicht (CBL) verwendet, um die Austrittsarbeit der Kathode (z. B. Al, Ag) zu verringern. Ca wird jedoch leicht oxidiert, wenn es Luft ausgesetzt wird, was zu einer geringen Stabilität der Vorrichtungen führt. Ein weiteres weit verbreitetes CBL in PSCs ist Lithiumfluorid (LiF), das nachweislich die Geräteleistung durch die Bildung eines Grenzflächendipols an der Kathodengrenzfläche verbessert [22]. Dennoch ist die Dicke von LiF aufgrund seiner isolierenden Eigenschaft auf weniger als 2 nm (im Allgemeinen ~ 1 nm) beschränkt [23, 24]. Eine so geringe Dicke ist durch thermische Abscheidung sehr schwer zu kontrollieren. Außerdem kann 1 nm dickes LiF die darunter liegende aktive Schicht beim Verdampfen heißer Metallatome nicht ausreichend schützen [17, 25].

Um diese Probleme zu beheben, haben wir zuvor fünf Stapel von C₆₀ . gemeldet /LiF CBL, das die Effizienz und Stabilität von PSCs aufgrund seiner guten elektrischen Leitfähigkeit erheblich verbessert, obwohl ein sehr dickes LiF verwendet wurde [26]. Allerdings ist der fünfstufige C₆₀ /LiF-Film wurde durch alternierende Abscheidung von C₆₀ . hergestellt und LiF-Schichten. Dieser Vorbereitungsprozess ist sehr kompliziert und zeitaufwendig und erhöht die Herstellungskosten der Vorrichtung erheblich. In dieser Arbeit haben wir einen C₆₀ . übernommen /LiF-Doppelschicht als CBL, um den gleichen Effekt wie fünfschichtiges C₆₀ . zu erzielen /LiF-CBL. Nach der Einzahlung eines C₆₀ Schicht vor der LiF-Verdampfung kann ein dickes LiF verwendet werden, ohne die Effizienz der Vorrichtung zu beeinträchtigen. Die PSCs mit C₆₀ /LiF-Doppel-CBLs behielten einen PCE von ~ 3% über einen weiten Bereich von LiF-Dicken (1~6 nm) und zeigten einen PCE von 1,10% selbst bei einem sehr dicken LiF, 8 nm. Im Gegensatz dazu zeigten die PSCs mit LiF-Einzel-CBL eine schnelle Abnahme des PCE mit zunehmender LiF-Dicke und hatten eine vernachlässigbare photovoltaische Leistung bei einer LiF-Dicke von 8 nm. Außerdem ist die Spitzeneffizienz (3,77%) von C₆₀ /LiF-basierte Geräte sind ~ 23% höher als die (3,06%) von LiF-only Geräten. Zusammengenommen zeigen diese Ergebnisse, dass C₆₀ /LiF-Doppelschicht ist ein vielversprechenderer Kandidat als CBL im Vergleich zu einer einzelnen LiF-Schicht.

Methoden

Herstellung von PSCs

ITO-beschichtete Glassubstrate (Delta Technologies, LTD) wurden in Aceton und Isopropylalkohol (IPA) unter Ultraschall jeweils für 5 Minuten gereinigt und dann mit O₂ . behandelt 60 s lang Plasma, um die hydrophile Oberfläche zu erzeugen. Die filtrierte Poly(3,4-ethylendioxythiophen):poly(styrolsulfonat)(PEDOT:PSS)-Lösung (HC Starck, Clevios PH 500) wurde auf die gereinigten Glas/ITO-Substrate bei einer Geschwindigkeit von 2000 U/min für 50 s aufgeschleudert. gefolgt von einem Backen bei 110 °C für 20 Minuten unter Stickstoffatmosphäre. Anschließend wurden die Proben auf ein N₂ . übertragen - gereinigtes Handschuhfach (< 0,1 ppm O₂ und H₂ O) zum Aufschleudern einer photoaktiven Schicht.

P3HT (Rieke Metals Inc., 4002-EE, 91–94% Regioregularität) und PCBM (American Dye Source, Reinheit> 99,5%) wurden in Chlorbenzol im Gewichtsverhältnis 1:1 gelöst. Die gemischte Lösung wurde mit einem 0,45-μm-Filter filtriert und dann auf die Oberseite der PEDOT:PSS-Schicht bei 1000 U/min für 50 s aufgeschleudert, gefolgt von einem thermischen Tempern bei 130 °C für 20 Minuten, was eine ~ 160-nm- dicke aktive Schicht, gemessen mit einem Dektek-Oberflächenprofiler. Der C₆₀ , LiF und Al (75 nm)-Elektrode wurden nacheinander durch thermische Verdampfung bei einem Basisdruck von 1 × 10 ^– 6 . abgeschieden mbar. Die Abscheidungsrate und Filmdicke wurden mit einem Quarzkristallsensor überwacht. Eine kreisförmige Lochmaske mit 1 mm Durchmesser wurde auf die Probe gelegt, um den aktiven Bereich vor der Al-Abscheidung zu definieren.

Charakterisierung

Die Stromdichte-Spannung (J -V ) wurden mit einem Keithley 2400-System unter simulierter Sonnenbestrahlung mit Air Mass 1,5 Global (AM 1,5 G) bei einer Intensität von 100 mW/cm ² . gemessen , das mit einem Leistungsmesser (OPHIR, Nova-Oriel) und einer Referenz-Silizium-Solarzelle kalibriert wurde. Die Messungen wurden mit den PSCs im Handschuhfach durchgeführt. Rasterkraftmikroskop-(AFM)-Bilder wurden mit einem Veeco Dimension-Icon AFM aufgenommen, das im Tapping-Modus betrieben wurde. Absorptionsspektren wurden unter Verwendung eines Varian Cary 50 UV/Vis-Spektrophotometers erhalten. Photoinduzierte Ladungsextraktion durch linear steigende Spannung (Photo-CELIV)-Messungen wurden an PSCs unter Umgebungsbedingungen durchgeführt. Ein gepulster N₂ Laser (337,1 nm, 1,4 ns) wurde verwendet, um die Ladungsträger zu erzeugen, die dann durch eine Sperrspannungsrampe extrahiert wurden, die nach einer Verzögerungszeit von 100 μs angelegt wurde. Die Stromtransienten wurden mit einem digitalen Speicheroszilloskop (50 Ω Eingangsimpedanz) aufgezeichnet. Während und nach der Beleuchtung wurde eine Offsetspannung angelegt, um das eingebaute Potential der Geräte zu kompensieren, was einen anfänglichen Photostrom vor dem Anlegen der Spannungsrampe verhindert. Die Mobilität der Träger lässt sich nach folgender Gleichung berechnen [27, 28]:

wobei μ ist die Ladungsträgermobilität, d ist die Dicke der aktiven Schicht, A ist die Spannungsanstiegsgeschwindigkeit, t _max ist die Zeit, in der der Extraktionsstrom den Maximalwert erreicht, ∆j die aktuelle Extraktionspeakhöhe ist und j (0) ist der Verschiebungsstrom der Kapazität.

Ergebnisse und Diskussion

Abbildung 1 zeigt das J -V Eigenschaften, aufgezeichnet unter 100 mW/cm ² Beleuchtung (AM 1,5 G), der PSCs mit und ohne unterschiedlichen Dicken von C₆₀ zwischen der aktiven Schicht und der 5 nm dicken LiF-Schicht angeordnet. Das Gerät ohne C₆₀ Schicht zeigt einen S-förmigen Verlauf, was trotz der typischen Kurzschlussstromdichte (J _sc ) und Leerlaufspannung (V _oc ). Der niedrige FF wird durch die Isoliereigenschaft von LiF erklärt, die bei zu dicker LiF-Schicht die Elektroneninjektion/-extraktion blockiert und somit zu dem großen Serienwiderstand (R _s ) und kleinem Shunt-Widerstand (R _sch ) des Geräts wie in Tabelle 1 gezeigt (R _s und R _sch wurden aus der inversen Steigung von Foto J . berechnet -V Kurve bei 0 mA/cm ² bzw. 0 V). Was die J angeht _sc , der Normalwert (9,23 mA/cm ² ) impliziert, dass das eingebaute elektrische Feld im Inneren des Geräts (aus der Austrittsarbeitsdifferenz zwischen Anode und Kathode) ausreicht, um den Elektronentransport durch LiF (5 nm) CBL durch Tunneln zu fördern. Nach Einführung von 3 nm dickem C₆₀ Schicht zwischen P3HT:PCBM- und LiF-Schichten (5 nm) verschwindet die S-Form und der FF steigt signifikant von 32,4 auf 56,3 % an. Der erhöhte FF ergibt sich aus dem reduzierten R _s , was bedeutet, dass der C₆₀ (3 nm)/LiF (5 nm) Doppelschicht besitzt eine bessere elektrische Leitfähigkeit als eine einzelne LiF (5 nm) Schicht. Mit dem Anstieg von C₆₀ Dicke nimmt die FF zuerst zu und erreicht einen Maximalwert von 67 % bei 8 nm und nimmt dann mit weiter steigendem C₆₀ . leicht ab Dicke. Aufgrund der Erholung von FF wird der C₆₀ /LiF (5 nm)-basierte Geräte weisen einen maximalen PCE von 3,65% auf, was doppelt so hoch ist wie der (1,79 %) von reinen LiF (5 nm)-Geräten. Um die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse zu demonstrieren, wurden die durchschnittlichen Photovoltaikparameter und Standardabweichungen der untersuchten Geräte aus einer Charge von fünf Geräten berechnet, wie in Zusatzdatei 1:Tabelle S1 gezeigt. Für jedes Gerät alle Parameter einschließlich J _sc , V _oc , FF und PCE sind mit geringen Abweichungen sehr gut reproduzierbar, was die Zuverlässigkeit der in Tabelle 1 dargestellten Ergebnisse bestätigt.

J -V Eigenschaften, aufgezeichnet unter 100 mW/cm ² Beleuchtung (AM 1,5 G), der PSCs mit und ohne unterschiedlichen Dicken von C₆₀ eingefügt zwischen P3HT:PCBM und 5 nm dicker LiF-Schicht

Um die Gründe für den hohen FF für den C₆₀ herauszufinden /LiF (5 nm)-basierte PSCs, AFM-Messungen wurden durchgeführt, um die Morphologie der LiF-Schicht auf dem C₆₀ . zu untersuchen Oberfläche. Abbildung 2 zeigt die Höhen- (oben) und Phasenbilder (unten), die mit dem Tapping-Modus AFM aufgenommen wurden, der P3HT:PCBM-Filme ohne und mit C₆₀ (35 nm), LiF (5 nm) und C₆₀ (35 nm)/LiF (5 nm) Schichten darauf abgeschieden (Bildgröße 500 nm × 500 nm). Der makellose P3HT:PCBM-Film weist eine sehr glatte Oberfläche mit einem geringen Effektivwert (rms) von 0,81 nm (Höhenbild) und fibrilläre kristalline Domänen von P3HT (Phasenbild) auf [29]. Nach dem Auftragen von 35 nm dickem C₆₀ und 5 nm dickem LiF obenauf erhöht sich die RMS-Rauheit auf 1,36 nm bzw. 1,67 nm. Obwohl es keinen signifikanten Unterschied in der RMS-Rauheit zwischen den oberen C₆₀ und LiF-Schichten sind die Oberflächenmorphologien dieser beiden Filme sehr unterschiedlich. Das 35 nm dicke C₆₀ zeigt größere Aggregate (Kugelform) im Vergleich zu 5 nm dickem LiF, die auch in ihren Phasenbildern beobachtet werden können. Beim Einzahlen des C₆₀ (35 nm)/LiF (5 nm) Doppelschicht auf dem P3HT:PCBM-Film, beide C₆₀ (große Größe) und LiF (kleine Größe) Aggregate werden beobachtet, was darauf hindeutet, dass das zugrunde liegende C₆₀ Schicht wird nicht vollständig von 5 nm dickem LiF bedeckt. Daher kommt es beim C₆₀ . zu einer gewissen Vermischung /LiF-Schnittstelle, was zu der guten elektrischen Leitfähigkeit von C₆₀ . führt /LiF (5 nm) Doppelschicht unter Berücksichtigung des von C₆₀ . gebildeten Perkolationspfades Moleküle.

Tapping-Modus AFM-Höhen- (oben) und Phasenbilder (unten) von P3HT:PCBM, P3HT:PCBM/C₆₀ (35 nm), P3HT:PCBM/LiF (5 nm) und P3HT:PCBM/C₆₀ (35 nm)/LiF (5 nm) Filme. Die entsprechenden Effektivwert-Rauheiten (rms) betragen 0,81, 1,36, 1,67 bzw. 2,18 nm

Um den Einfluss des C₆₀ . weiter zu untersuchen /LiF-Doppel-CBLs auf die Geräteleistung von PSCs, wir beheben den C₆₀ Dicke auf den optimalen Wert von 25 nm, während die LiF-Dicke von 0,5 auf 8 nm geändert wird. Zum Vergleich wurden auch die Geräte mit LiF Single CBL gefertigt. Abbildung 3 zeigt das J -V Eigenschaften, aufgezeichnet unter 100 mW/cm ² Beleuchtung (AM 1,5 G) der PSCs mit LiF single und C₆₀ /LiF-Doppel-CBLs mit unterschiedlichen Dicken von LiF. Die entsprechenden photovoltaischen Parameter der Geräte sind in Tabelle 2 zusammengefasst. Die Geräte mit LiF-Single-CBL haben eine maximale PCE von 3,06 % bei der optimalen LiF-Dicke von 1 nm. Eine weitere Erhöhung der Dicke führt zu einer schnellen Abnahme des PCE auf 0,79 % bei 6 nm und 0,06 % bei 8 nm. Im Gegensatz dazu sind die Geräte mit C₆₀ (25 nm)/LiF-Doppel-CBLs zeigen eine verbesserte Leistung mit einer Spitzeneffizienz von 3,77 % bei einer LiF-Dicke von 1 nm. Noch wichtiger ist, dass mit zunehmender Dicke auf 6 und 8 nm PCEs von 2,65 bzw. 1,10 % erreicht werden, was deutlich höher ist als bei reinen LiF-Geräten. Es sollte erwähnt werden, dass die in Tabelle 2 dargestellten Ergebnisse auch sehr gut reproduzierbar sind, wie die sehr kleinen Standardabweichungen der charakteristischen Parameter des Geräts zeigen (Zusatzdatei 1:Tabelle S2). Beispielsweise beträgt die Standardabweichung der Geräteeffizienz weniger als 0,2 % (0,1 % für die meisten Geräte), was auf eine hohe Reproduzierbarkeit hinweist. Darüber hinaus zeigt der durchschnittliche PCE den gleichen Trend wie in Tabelle 2 beobachtet, was darauf hindeutet, dass der Effizienzvergleich zwischen verschiedenen Gruppen zuverlässig ist.

J -V Eigenschaften, aufgezeichnet unter 100 mW/cm ² Beleuchtung (AM 1,5 G) der PSCs mit a LiF einzeln und b C₆₀ (25 nm)/LiF-Doppel-CBLs mit unterschiedlichen Dicken von LiF

Wie in Tabelle 2 gezeigt, ist die Verbesserung des PCE für den C₆₀ (25 nm)/LiF-basierte PSCs resultieren hauptsächlich aus dem Anstieg von FF und J _sc aufgrund des reduzierten R _s . Um das R besser zu verstehen _s Reduktion untersuchen wir die Ladungstransporteigenschaften der LiF-Einzelschicht und C₆₀ /LiF-Doppelschicht unter Verwendung der Photo-CELIV-Technik [30, 31]. Zusätzliche Datei 1:Abbildung S1 zeigt die Photo-CELIV-Stromtransienten, aufgezeichnet bei unterschiedlichen Spannungsanstiegsgeschwindigkeiten, für die PSCs mit dem LiF-Single und C₆₀ /LiF-Doppel-CBLs. Bei Photo-CELIV ist die Zeit des Extraktionsstrommaximums (t _max ) wird zur Abschätzung der Ladungsträgermobilität nach Gl. 1 [27]. Die berechneten Mobilitäten des reinen LiF-Geräts (6 nm) betragen 3,71, 3,40 und 3,59 × 10 ^− 5 cm ² V ^− 1 s ^− 1 für die Spannungssteigungen von 10, 20 bzw. 30 kV/s, was bedeutet, dass die Mobilität unabhängig von der Spannungsanstiegsgeschwindigkeit ist. Im Gegensatz dazu sind die geschätzten Mobilitäten des C₆₀ (25 nm)/LiF (6 nm)-basierte Geräte sind 3,81, 3,56 und 3,09 × 10 ^− 4 cm ² V ^− 1 s ^− 1 für die Spannungssteigungen von 10, 20 bzw. 30 kV/s, die um eine Größenordnung höher sind als die des reinen LiF-Geräts (6 nm). Die erhöhte Mobilität nach Einführung eines C₆₀ Schicht kann der verbesserten elektrischen Leitfähigkeit zugeschrieben werden, die sich aus der Vermischung am C₆₀ . ergibt /LiF-Schnittstelle. Darüber hinaus ist anzumerken, dass der Photo-CELIV-Peak für das Nur-LiF-Gerät (6 nm) breiter ist als für das C₆₀ . (25 nm)/LiF (6 nm)-basiertes Gerät, was auf einen stärker dispersiven Ladungstransport aufgrund des größeren Ungleichgewichts zwischen der Elektronen- und Lochmobilität hinweist [32, 33]. Dieses Ungleichgewicht wird auf die extrem niedrige Elektronenmobilität für das Nur-LiF-Gerät (6 nm) zurückgeführt, wenn man bedenkt, dass die Extraktion von Elektronen durch die dicke LiF-Schicht blockiert wird. Die akkumulierten Elektronen an der P3HT:PCBM/LiF-Schnittstelle schirmen das angelegte elektrische Feld ab und verringern dadurch die Ladungsextraktionsrate im Gerät. Im Gegensatz dazu ist der schmale Peak für C₆₀ (25 nm)/LiF (6 nm)-basiertes Gerät impliziert die ausgewogene Elektronen- und Lochmobilität sowie die verbesserte Elektronenextraktion aufgrund der guten Leitfähigkeit des C₆₀ (25 nm)/LiF (6 nm) Doppelschicht.

Neben der deutlichen Verbesserung der FF ist die J _sc wird nach der Aufnahme von C₆₀ . leicht verbessert (25 nm) Schicht. In Anbetracht der Tatsache, dass der schleuderbeschichtete P3HT:PCBM-Blendfilm aus einer P3HT-reichen Region nahe der oberen Oberfläche besteht [34, 35], spekulieren wir, dass die in dieser Region erzeugten Exzitonen am P3HT/C_{60<. dissoziiert werden können /sub> Schnittstelle für C60 (25 nm)/LiF-basierte Geräte, was zu einem erhöhten J . führt sc im Vergleich zu den Geräten ohne C60 Zwischenschicht. Um diese Spekulation zu überprüfen, haben wir die PSCs mit einer Gerätestruktur von ITO/PEDOT:PSS/P3HT/C60 . hergestellt (25 nm)/LiF/Al, wobei die Dicke von P3HT von 5 bis 100 nm variiert wird. Abbildung 4 zeigt die J-V Eigenschaften dieser Geräte unter 100 mW/cm ² Beleuchtung (AM 1,5 G) und die entsprechenden photovoltaischen Parameter sind in Zusatzdatei 1:Tabelle S3 zusammengefasst. Es zeigt sich, dass die J sc von P3HT/C60 -basierte Solarzellen nimmt mit abnehmender P3HT-Dicke zu, was mit der begrenzten Exzitonendiffusionslänge in P3HT (~ 10 nm) erklärt wird. Die J sc erreicht einen Maximalwert von 1,34 mA/cm ² bei der P3HT-Dicke von 10 nm und sinkt dann mit weiterem Rückgang der Dicke aufgrund der ungenügenden Absorption auf 5 nm ab. Wie oben erwähnt, solche P3HT/C60 Unterzelle wird höchstwahrscheinlich nach der Abscheidung von 25 nm dickem C60 . gebildet auf der aktiven P3HT:PCBM-Schicht, was zu einem 1,34 mA/cm ² . führt Zunahme von J sc unter idealen Bedingungen für C60 /LiF-basierte Geräte [36]. Durch den Vergleich der J sc Werte der Geräte mit und ohne C60 (25 nm) Zwischenschicht, die Verbesserung in J sc beträgt etwa 1 mA/cm ² (mit Ausnahme der LiF (8 nm)-basierten Geräte), was mit unseren Spekulationen übereinstimmt.}

J -V Eigenschaften der PSCs mit der Gerätestruktur von ITO/PEDOT:PSS/P3HT (x nm)/C₆₀ (25 nm)/LiF (1 nm)/Al mit unterschiedlichen Dicken von P3HT

Nach der Einführung eines C₆₀ Schicht zwischen den P3HT:PCBM- und LiF-Schichten wird die optische Feldverteilung innerhalb der Solarzelle höchstwahrscheinlich verändert, was zu einer Variation von J . führt _sc [26, 37]. Um diesen Effekt zu untersuchen, haben wir zunächst die elektrische Feldstärke innerhalb der aktiven P3HT:PCBM-Schicht für die Geräte mit und ohne C₆₀ . simuliert Zwischenschicht. Wie in Zusatzdatei 1 gezeigt:Abbildung S2a, die integrierte Feldstärke für die Geräte mit einem C₆₀ Schicht ist im Kurzwellenbereich schwächer und im Langwellenbereich stärker im Vergleich zum Gerät ohne C₆₀ Zwischenschicht. Dieser Trend wird deutlicher und gleichzeitig wird eine Rotverschiebung mit zunehmendem C₆₀ . beobachtet Dicke. Zusätzliche Datei 1:Abbildung S2b zeigt die Absorptionsspektren des reinen C₆₀ Film und die P3HT:PCBM-Filme mit und ohne verschiedene darauf abgeschiedene CBLs. Vergleich der Absorptionsspektren von P3HT:PCBM/C₆₀ (25 nm) Filme mit und ohne 8 nm dickem LiF überlappen sich die beiden Kurven fast vollständig, was darauf hindeutet, dass LiF kein sichtbares Licht absorbiert. Auf der anderen Seite die P3HT:PCBM/C₆₀ Filme haben eine höhere Absorption in den Wellenlängenbereichen von 400~510 nm und 580~680 nm im Vergleich zum reinen P3HT:PCBM-Film. Diese Absorptionsverbesserung wird mit steigendem C₆₀ . deutlicher Dicke. Intuitiv ergibt sich die Absorptionsverstärkung im Wellenlängenbereich von 400–510 nm aus dem C₆₀ Absorption (400~550 nm). Zusätzliche Datei 1:Abbildung S2c zeigt die Spektren der einfallenden Photonen-Strom-Umwandlungseffizienz (IPCE) der PSCs mit LiF (5 nm) einzeln und C₆₀ (25 nm)/LiF (5 nm) Doppel-CBLs. Im Vergleich zum reinen LiF-Gerät ist das Gerät mit C₆₀ /LiF-Doppel-CBLs haben aufgrund der parasitären Absorption im C₆₀ . einen niedrigeren IPCE bei den kurzen Wellenlängen Film und zeigt eine höhere IPCE bei langen Wellenlängen aufgrund des optischen Abstandseffekts sowie des Beitrags von P3HT/C₆₀ Unterzelle.

Aus Tabelle 2 ist ersichtlich, dass der C₆₀ (25 nm)/LiF (8 nm)-basiertes Gerät weist einen niedrigen PCE von 1,10 % auf, obwohl diese Effizienz immer noch viel höher ist als die (0,06 %) des reinen LiF (8 nm)-Geräts. Der niedrige PCE ist das Ergebnis des kleinen J _sc und FF, verursacht durch das große R _s . Wie oben besprochen, ist der C₆₀ (35 nm)/LiF (5 nm)-Film hat eine gute elektrische Leitfähigkeit aufgrund der Bildung der Mischmorphologie zwischen C₆₀ und LiF-Schichten (siehe Abb. 2). Um den Grund für den hohen Widerstand des C₆₀ . herauszufinden (25 nm)/LiF (8 nm) Film, AFM-Messungen wurden an P3HT:PCBM-Filmen ohne und mit C₆₀ . durchgeführt (25 nm), LiF (8 nm) und C₆₀ (25 nm)/LiF (8 nm) Schichten darauf abgeschieden. Wie in Zusatzdatei 1:Abbildung S3 gezeigt, werden im C₆₀ . große kugelförmige Aggregate gebildet (25 nm) Film, während relativ kleine Aggregate im LiF (8 nm)-Film gebildet werden, was der Beobachtung in Abb. 2 ähnlich ist. Beim Abscheiden von 8 nm dickem LiF auf dem C_{60 (25 nm)-Schicht ist die Morphologie (kleine Aggregate) der des unberührten LiF-Films sehr ähnlich, was darauf hindeutet, dass das darunterliegende C60 Aggregate werden vollständig von 8 nm dickem LiF bedeckt. Daher spekulieren wir, dass sich ein dickes LiF an der Spitze des C60 . ansammelt (25 nm)/LiF (8 nm) Doppelschichtfilm, der die Elektronenextraktion behindert und daher zu einem hohen R . führt s des Geräts.}

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend haben wir gezeigt, dass ein dicker LiF als CBL in P3HT:PCBM-basierten PSCs verwendet werden kann, indem einfach ein C₆₀ . eingeführt wird Schicht zwischen der aktiven Schicht und der LiF-Schicht. Die Geräte mit dem C₆₀ /LiF (5 nm)-Doppel-CBLs weisen eine Spitzeneffizienz von 3,65 % auf, während das Nur-LiF-Gerät (5 nm) eine zweimal niedrigere PCE von 1,79 % aufweist. Die verbesserte Geräteleistung resultiert hauptsächlich aus dem hohen FF aufgrund der guten elektrischen Leitfähigkeit des C₆₀ /LiF-Doppelschicht. Außerdem ist die J _sc wird auch nach Einführung eines C₆₀ . verbessert Zwischenschicht, die auf den Beitrag von P3HT/C₆₀ . zurückgeführt werden kann Unterzelle sowie der optische Spacer-Effekt von C₆₀ . Eine weitere Erhöhung der LiF-Dicke auf 8 nm führt zu einer schnellen Abnahme des PCE auf 1,10 und 0,06% für C₆₀ /LiF-basiertes Gerät bzw. nur LiF-Gerät. Der Rückgang des PCE des Geräts mit C₆₀ /LiF (8 nm) Doppel-CBLs wird durch den behinderten Elektronentransport aufgrund des akkumulierten LiF an der Spitze des C₆₀ . verursacht (25 nm)/LiF (8 nm) Doppelschicht. Alles in allem zeigen diese Ergebnisse, dass der C₆₀ /LiF-Doppelschicht ist eine vielversprechendere CBL als LiF-Einzelschicht für die Herstellung hocheffizienter und großflächiger PSCs.