KPFM de Seção Transversal Revela Dip de Potencial e Barreira Schottky em Células Solares de Heterojunção Volumétrica PCDTBT:PCBM Espessas

Resumo

Microscopia de força de sonda Kelvin (KPFM) foi usada para mapear distribuição de potencial seccional transversal de célula solar de heterojunção volumétrica (HJV) PCDTBT:PCBM de alta tensão de circuito aberto. A queda de potencial confina-se à interface do cátodo, confirmando comportamento tipo-p da camada fotoativa. Na região central livre de campo, potenciais medidos seguem distribuição log-normal, indicando ampla desordem energética que pode aprisionar lacunas e aumentar recombinação bimolecular. Uma barreira Schottky na interface do ânodo impede ainda extração de carga, enquanto gradiente de potencial na região de depleção pode mitigar o dip abaixando a barreira para portadores aprisionados.

Introdução

Fotovoltaicos orgânicos (FVs) prometem soluções solares de baixo custo e flexíveis, mas sua viabilidade comercial depende de eficiências de conversão de potência (ECP) acima de 10%. Progresso recente foi impulsionado por novos materiais doador/aceitador e protocolos de fabricação otimizados. O par clássico P3HT:PCBM alcançou 3-5% ECP, mas camadas ativas mais espessas, necessárias para maior absorção de luz, sofrem de eficiência reduzida de coleta de carga devido a recombinação aumentada e desordem energética.

KPFM de seção transversal oferece insight na escala nanométrica em campos elétricos internos e paisagens de potencial, ainda a maioria dos estudos focou no sistema P3HT:PCBM. Aqui estendemos esta abordagem à HJV PCDTBT:PCBM, material que exibe eficiência quântica interna próxima à unidade em dispositivos finos mas sofre perda de desempenho em filmes espessos.

Métodos

Materiais e Fabricação de Dispositivos

PCDTBT (doador) e PCBM solúvel (aceitador) foram depositados por spin-coating para formar camadas ativas de 70-150 nm espessas sobre camada de transporte de lacunas (CTL) PEDOT:PSS de 20 nm atop ITO. Cátodos de alumínio foram evaporados sob alto vácuo. Para KPFM, camada ativa de 200 nm em ânodo PEDOT:PSS altamente condutivo foi clivada em nitrogênio líquido para expor seção transversal suave.

Caracterização Elétrica e KPFM

Curvas J-V foram registradas com Keithley 236 sob iluminação AM 1.5G (100 mW cm⁻²). KPFM (n-Tracer Nanofocus) foi realizada em nitrogênio seco; topografia AFM e CPD modulado em frequência foram adquiridos simultaneamente usando cantilever revestido Pt/Ir (350 kHz).

Resultados e Discussão

Desempenho Fotovoltaico Dependente de Espessura

Aumentar espessura da camada ativa desloca corrente de curto-circuito (J_SC) devido a efeitos de interferência, enquanto tensão de circuito aberto (V_OC) permanece constante, indicando potencial built-in inalterado. Contudo, fator de preenchimento (FF) diminui continuamente com espessura, refletindo coleta de carga mais pobre.

Mapeamento de Potencial de Seção Transversal

Topografia KPFM (Fig. 3a) mostra superfície clivada suave com rugosidade RMS <200 nm. Imagem de fase (Fig. 3b) delimita interface PEDOT:PSS/PCDTBT:PCBM. Mapeamento CPD (Fig. 3c) revela queda de potencial íngreme confinada ao lado do cátodo (≈70 nm), característica da região de depleção. Região central próxima ao ânodo é livre de campo, confirmando HJV comporta-se como semicondutor tipo-p efetivo.

Um dip de potencial pronunciado aparece próximo à interface do ânodo (Fig. 3c). Para confirmar sua extensão espacial, área maior foi imageada (Fig. 4). Imagem CPD mostra manchas claras e escuras aleatórias através da HJV, indicando ampla desordem energética que segue distribuição log-normal (Fig. 4d). Cauda longa da distribuição (σ ≈ 400 meV) sugere alta densidade de estados de armadilha profundos, que podem capturar lacunas e aumentar recombinação bimolecular.

Diagrama de Bandas de Energia e Implicações

Potenciais medidos traduzem-se em diagrama de bandas de energia (Fig. 5a) onde ânodo PEDOT:PSS forma barreira Schottky de 0,4 eV com HOMO profundo de PCDTBT. Esta barreira alonga tempo de residência de lacunas, elevando probabilidade de recombinação. O dip de potencial na região livre de campo (Fig. 5b) é manifestação de curvatura de banda induzida por dipolo causada pela distribuição de armadilhas de lacunas. Se camada ativa fosse mais fina (≈70 nm), campo de depleção sobrepor-se-ia ao dip, efetivamente baixando barreira Schottky (abaixamento de barreira Schottky) e facilitando extração de carga.

Substituir PEDOT:PSS por CTL de workfunction mais profundo como MoOx converteria junção do ânodo em contato ôhmico, melhorando ainda eficiência de extração. Não obstante, desordem energética intrínseca permanece gargalo para dispositivos espessos, ressaltando importância de camadas ativas finas e de alta qualidade ou engenharia interfacial avançada.

Conclusões

KPFM de seção transversal de células HJV PCDTBT:PCBM espessas revelou barreira Schottky no ânodo e dip de potencial distribuído log-normalmente na região livre de campo. Estas características aprisionam lacunas e aumentam recombinação bimolecular, explicando queda observada no fator de preenchimento para filmes mais espessos. Estratégias de mitigação incluem uso de CTLs de workfunction mais profundo para eliminar barreira Schottky e projetar dispositivos com espessuras de camada ativa comparáveis à largura de depleção para suprimir dip de potencial via abaixamento de barreira Schottky.

Abreviações

HJV

Heterojunção volumétrica

CPD

Diferença de potencial de contato

EIS

Espectroscopia de impedância eletroquímica

FWHM

Largura total a meia altura

CTL

Camada de transporte de lacunas

IQE

Eficiência quântica interna

KPFM

Microscopia de força de sonda Kelvin

P3HT

Poli(3-hexiltiofeno)

PCBM

[6,6]-Fenil-C60-butirato de metila

PCDTBT

Poli[N-9'-heptadecanil-2,7-carbazol-alt-5,5-(4',7'-di-2-tienil-2',1',3'-benzotiadiazol)]

ECP

Eficiência de conversão de potência

TOF

Tempo de voo

Voc

Tensão de circuito aberto