Querschnitts-KPFM enthüllt Potenzialdip und Schottky-Barriere in dicken PCDTBT:PCBM-Bulk-Heterojunction-Solarzellen

Zusammenfassung

Mittels Kelvin-Probe-Kraftmikroskopie (KPFM) wurde die querschnittsweise Potenzialverteilung einer PCDTBT:PCBM-Bulk-Heterojunction-Solarzelle (BHJ) mit hoher Leerlaufspannung kartiert. Der Potenzialabfall ist auf die Kathoden-Schnittstelle begrenzt, was das p-Typ-Verhalten der photoaktiven Schicht bestätigt. Im feldfreien Zentralgebiet folgen die gemessenen Potenziale einer log-normalen Verteilung, was auf eine breite energetische Unordnung hinweist, die Löcher fangen und die bimolekulare Rekombination verstärken kann. Eine Schottky-Barriere an der Anoden-Schnittstelle behindert zusätzlich die Ladungsextraktion, während der Potenzialgradient in der Sperrschicht den Dip durch Absenkung der Barriere für gefangene Ladungsträger mildern kann.

Hintergrund

Organische Photovoltaik (OPV) verspricht kostengünstige, flexible Solarlösungen, doch ihre kommerzielle Rentabilität hängt von Wirkungsgraden über 10 % ab. Jüngster Fortschritt wurde durch neuartige Donor/Akzeptor-Materialien und optimierte Fertigungsprotokolle erzielt. Das klassische P3HT:PCBM-System erreichte 3–5 % Wirkungsgrad, aber dickere Aktivschichten, die für höhere Lichtabsorption nötig sind, leiden unter reduzierter Ladungssammel-Effizienz wegen verstärkter Rekombination und energetischer Unordnung.

Querschnitts-KPFM bietet nanoskalige Einblicke in interne elektrische Felder und Potenziallandschaften, doch die meisten Studien konzentrierten sich auf P3HT:PCBM. Hier wird dieser Ansatz auf die PCDTBT:PCBM-BHJ erweitert, ein Material, das in dünnen Bauelementen nahezu einheitsinterne Quantenausbeute zeigt, aber in dickeren Filmen Leistungsverluste erleidet.

Methoden

Materialien und Bauelementefertigung

PCDTBT (Donor) und lösliches PCBM (Akzeptor) wurden per Spin-Coating zu 70–150 nm dicken Aktivschichten auf einer 20 nm PEDOT:PSS-Lochtransportschicht (HTL) auf ITO aufgebracht. Aluminiumkathoden wurden unter Hochvakuum aufgedampft. Für KPFM wurde eine 200 nm dicke Aktivschicht auf hochleitendem PEDOT:PSS-Anodenmaterial in flüssigem Stickstoff gespalten, um eine glatte Querschnittsoberfläche freizulegen.

Elektrische und KPFM-Charakterisierung

J-V-Kurven wurden mit einem Keithley 236 unter AM 1.5G-Beleuchtung (100 mW cm⁻²) aufgezeichnet. KPFM (n-Tracer Nanofocus) erfolgte in trockenem Stickstoff; AFM-Topographie und frequenzmodulierter CPD wurden simultan mit einer Pt/Ir-beschichteten Cantilever (350 kHz) erfasst.

Ergebnisse und Diskussion

Dickeneinfluss auf die photovoltaische Leistung

Die Erhöhung der Aktivschichtdicke verschiebt den Kurzschlussstrom (J_SC) durch Interferenzeffekte, während die Leerlaufspannung (V_OC) konstant bleibt, was auf ein unverändertes Einbaupotenzial hinweist. Der Füllfaktor (FF) nimmt jedoch stetig mit der Dicke ab, was auf schlechtere Ladungssammlung hinweist.

Querschnitts-Potenzialkartierung

Die KPFM-Topographie (Abb. 3a) zeigt eine glatte gespaltene Oberfläche mit <200 nm RMS-Rauheit. Phasenbildgebung (Abb. 3b) grenzt die PEDOT:PSS/PCDTBT:PCBM-Schnittstelle ab. CPD-Kartierung (Abb. 3c) offenbart einen steilen Potenzialabfall, der auf die Kathodenseite (≈70 nm) begrenzt ist – charakteristisch für die Sperrschicht. Der mittlere Bereich nahe der Anode ist feldfrei, was bestätigt, dass die BHJ als effektiver p-Typ-Halbleiter wirkt.

Ein ausgeprägter Potenzialdip erscheint nahe der Anoden-Schnittstelle (Abb. 3c). Um seine räumliche Ausdehnung zu bestätigen, wurde ein größerer Bereich abgebildet (Abb. 4). Das CPD-Bild zeigt zufällige helle und dunkle Flecken über die BHJ, was auf eine breite energetische Unordnung hinweist, die einer log-normalen Verteilung folgt (Abb. 4d). Der lange Schwanz der Verteilung (σ ≈ 400 meV) deutet auf eine hohe Dichte tiefer Fallenzustände hin, die Löcher einfangen und die bimolekulare Rekombination erhöhen können.

Energiebanddiagramm und Implikationen

Die gemessenen Potenziale lassen sich in ein Energiebanddiagramm (Abb. 5a) überführen, in dem die PEDOT:PSS-Anode eine 0,4 eV hohe Schottky-Barriere mit dem tiefen HOMO von PCDTBT bildet. Diese Barriere verlängert die Verweilzeit der Löcher und erhöht die Rekombinationswahrscheinlichkeit. Der Potenzialdip im feldfreien Bereich (Abb. 5b) ist eine Manifestation dipolinduzierter Bandbiegeung durch die Verteilung von Lochfallen. Wäre die Aktivschicht dünner (≈70 nm), würde das Sperrfeld den Dip überlagern, die Schottky-Barriere effektiv absenken (Schottky-Barrierensenkung) und die Ladungsextraktion erleichtern.

Der Austausch von PEDOT:PSS gegen eine tiefer arbeitende HTL wie MoOx würde die Anoden-Schnittstelle in einen ohmschen Kontakt umwandeln und die Extraktions-Effizienz weiter verbessern. Dennoch bleibt die intrinsische energetische Unordnung ein Flaschenhals für dicke Bauelemente, was die Bedeutung dünner, hochwertiger Aktivschichten oder fortgeschrittener Grenzflächen-Technik unterstreicht.

Schlussfolgerungen

Querschnitts-KPFM an dicken PCDTBT:PCBM-BHJ-Zellen zeigte eine Schottky-Barriere an der Anode und einen log-normal verteilten Potenzialdip im feldfreien Bereich. Diese Merkmale fangen Löcher ein und verstärken die bimolekulare Rekombination, was den beobachteten FF-Abfall bei dickeren Filmen erklärt. Milderungsstrategien umfassen den Einsatz tiefer arbeitender HTLs zur Beseitigung der Schottky-Barriere und das Design von Bauelementen mit Aktivschichtdicken vergleichbar der Sperrschichtbreite, um den Potenzialdip durch Schottky-Barrierensenkung zu unterdrücken.

Abkürzungen

BHJ

Bulk Heterojunction

CPD

Contact Potential Difference

EIS

Elektrochemische Impedanzspektroskopie

FWHM

Full Width at Half Maximum

HTL

Hole Transport Layer

IQE

Internal Quantum Efficiency

KPFM

Kelvin Probe Force Microscopy

P3HT

Poly(3-hexylthiophene)

PCBM

[6,6]-Phenyl-C60-buttersäuremethylester

PCDTBT

Poly[N-9′-heptadecanyl-2,7-carbazol-alt-5,5-(4′,7′-di-2-thienyl-2′,1′,3′-benzothiadiazol)]

PCE

Power Conversion Efficiency

TOF

Time-of-Flight

Voc

Open-Circuit Voltage