Nano Energy：倒置結構 PCBM:P3HT有機太陽能電池的原位能帶陣列研究

【引言】

與傳統太陽能電池相比，倒置結構的薄膜有機太陽能電池具有較高的能量轉換效率及優異的循環穩定性能，且其能帶深度獨特性強，因而備受關注。人們希望理解倒置裝置中薄膜電極的界面能量在能量深度圖中突變能量的偏移。大量對活性層與夾層間界面的研究結果表明，界面的偶極子是導致電場分布不均勻及電荷勢壘形成的重要原因。然而，目前對整個倒置結構電池能帶深度剖面的表征研究還很少。截面的SKPM就是一種在真空水平下研究薄膜電池能帶深度的有效手段。

【成果簡介】

最近，中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所陳立桅研究員（通訊作者）等人在Nano Energy上發表題為“Energy band alignment in?operando?inverted structure P3HT:PCBM organic solar cells”的文章，文中報道了一種通過Kelvin 探針顯微鏡直接原位觀測的具有倒置結構的聚3-乙基噻吩：[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯太陽能電池中的能量帶陣列和內建場的分布。研究人員觀察到懸臂與末端間的卷曲阻礙了倒置結構電池的表征，且卷曲到一定角度后界面引起突變能的偏移會被完全覆蓋，從而可能導致真空水平與極性成反比。研究人員通過一種反卷積方法成功解決了這一問題。 采用校準分子束外延生長方法獲得的GaInP/GaAs參比樣品以及通過反卷積計算抑制了SKPM中末端和懸臂的卷積。研究結果證明了界面機制與界面效應在倒置結構有機太陽能電池中對能級陣列和電場不均勻分布的決定性作用。

【圖文導讀】

圖1：SKPM示意圖與理論計算和實驗數據對比圖。

（a）SKPM測試裝置示意圖；

（b）計算結果與實驗結果對比圖。

圖2：ZnO（20 nm），MoO_x（20 nm）相關圖片。

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

（b）末端位置1暗場下的SP圖像；

（c）末端位置2暗場下的SP圖像；

（d）（b）（黑框）和（c）（紅圈）的提取SP曲線圖；

（e）TGT1的幾何校準示意圖；

（f）末端曲線圖，內部小圖為全譜圖；

（g）位置2暗場下的SP圖；

（h）位置2暗場下，從20-120 nm的不同末端樣品距離下的提取SP曲線圖。

圖3：GaInP/GaAs異質結相關圖片。

（a）GaInP/GaAs異質結SEM圖；

（b）位置1的GaInP/GaAs異質結的SP圖；

（c）位置2的GaInP/GaAs異質結的SP圖；

（d）實際的位置1（黑框）、2（紅圈）的SP曲線與計算所得SP曲線對比圖；

（e）轉換方程擬合圖；

（f）位置1、2基于反卷積方程的SP圖；

（g）位置2下，不同距離的GaInP/GaAs異質結的SP圖；

（h）位置2，轉換方程不同距離的擬合曲線；

（i）位置2，基于轉換方程不同距離下的SP圖。

圖4 ：具有薄界面層電池的SP曲線圖。

圖5：ZnO（80 nm），MoO_x（80 nm）相關圖片。

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

（b）暗場下，開路下的電池SP圖

（c）光照條件下，開路下的電池SP圖；

（d）不同條件下的SP圖；

（e）位置3轉換方程擬合圖；

（f）不同條件下的反卷積的SP圖。

圖6：倒置結構有機太陽能電池在不同條件下的能帶圖。

（a）黑暗條件下的能帶圖；

（b）光照條件下的能帶圖；

（c）開路條件下的能帶圖。

【小結】

盡管本文只研究了選區截面的SKPM測試方法在PSHT:PCBM有機太陽能電池中的應用，但它也可被應用于其他有機太陽能電池或光電子裝置中。雖然本文解決了部分卷積問題，但SKPM的長遠應用依然面臨著精度問題（包括圖片分辨率、能量分辨率及微尺度界面問題）等很多挑戰。

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

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