C60中間層を導入するだけでポリマー太陽電池の効率的なカソードバッファー層としての5nm LiF

J - V 100 mW / cm ² で記録された特性 さまざまな厚さのC ₆₀ がある場合とない場合のPSCの照明（AM 1.5 G） P3HT：PCBMと厚さ5nmのLiF層の間に挿入

C ₆₀ のFFが高くなる理由を見つけるため / LiF（5 nm）ベースのPSC、AFM測定を実行して、C ₆₀ 上のLiF層の形態を調べました。 水面。図2は、C ₆₀ を使用した場合と使用しない場合のP3HT：PCBMフィルムの、タッピングモードAFMによって記録された高さ（上）と位相（下）の画像を示しています。 （35 nm）、LiF（5 nm）、およびC ₆₀ （35 nm）/ LiF（5 nm）層が上に堆積されています（画像サイズ500nm×500nm）。手付かずのP3HT：PCBMフィルムは、0.81 nmの低い二乗平均平方根（rms）粗さ（高さ画像）の非常に滑らかな表面を示し、P3HTの繊維状結晶ドメイン（位相画像）を示します[29]。 35nmの厚さのC ₆₀ を堆積した後 上部に5nmの厚さのLiFがある場合、rms粗さはそれぞれ1.36nmと1.67nmに増加します。上部のC ₆₀ 間でrms粗さに有意差はありませんが、 とLiF層、これら2つのフィルムの表面形態は非常に異なります。厚さ35nmのC ₆₀ は、5 nmの厚さのLiFと比較して、より大きな凝集体（球形）を示しています。これは、位相画像でも観察できます。 C ₆₀ を預けるとき P3HT：PCBMフィルム上の（35 nm）/ LiF（5 nm）二重層、両方ともC ₆₀ （大きいサイズ）およびLiF（小さいサイズ）の骨材が観察され、基礎となるC ₆₀ 層は5nmの厚さのLiFで完全には覆われていません。したがって、C ₆₀ でいくつかの混合が発生します / LiFインターフェース。これにより、C ₆₀ の良好な電気伝導率が得られます。 C ₆₀ によって形成されるパーコレーションパスを考慮した/ LiF（5 nm）二重層 分子。

P3HT：PCBM、P3HT：PCBM / C ₆₀ のタッピングモードAFM高さ（上）および位相（下）画像 （35 nm）、P3HT：PCBM / LiF（5 nm）、およびP3HT：PCBM / C ₆₀ （35 nm）/ LiF（5 nm）フィルム。対応する二乗平均平方根（rms）の粗さは、それぞれ0.81、1.36、1.67、および2.18nmです

C ₆₀ の影響をさらに調査する PSCのデバイスパフォーマンスに関する/ LiFダブルCBL、C ₆₀ を修正 LiFの厚さを0.5から8nmに変更しながら、25nmの最適値での厚さ。比較のために、LiFシングルCBLを備えたデバイスも製造されました。図3は、 J を示しています - V 100 mW / cm ² で記録された特性 LiFシングルとC ₆₀ を使用したPSCの照明（AM 1.5 G） さまざまな厚さのLiFを備えた/ LiFダブルCBL。デバイスの対応する光起電力パラメータを表2にまとめています。LiFシングルCBLを備えたデバイスは、最適なLiFの厚さ1 nmで最大PCEが3.06％です。厚さをさらに増やすと、PCEが6 nmで0.79％、8 nmで0.06％に急速に減少します。対照的に、C ₆₀ のデバイス （25 nm）/ LiFダブルCBLは、1 nmのLiF厚さで3.77％のピーク効率でパフォーマンスが向上します。さらに重要なことに、厚さが6nmと8nmに増加すると、それぞれ2.65％と1.10％のPCEが達成されます。これは、LiFのみのデバイスよりも大幅に高くなっています。表2に示されている結果も、デバイスの特性パラメータの標準偏差が非常に小さいことからわかるように、再現性が高いことに注意してください（追加ファイル1：表S2）。たとえば、デバイス効率の標準偏差は0.2％未満（ほとんどのデバイスでは0.1％）であり、再現性が高いことを示しています。さらに、平均PCEは、表2で観察されたのと同じ傾向を示しています。これは、異なるグループ間の効率の比較が信頼できることを意味します。

J - V 100 mW / cm ² で記録された特性 a を使用したPSCの照明（AM 1.5 G） LiFシングルおよび b C ₆₀ （25 nm）/ LiFの厚さが異なるLiFダブルCBL

表2に示すように、C ₆₀ のPCEの改善 （25 nm）/ LiFベースのPSCは、主にFFと J の増加から発生します。 _sc R が減少したため _s 。 R をよりよく理解するため _s 還元では、LiF単層とC ₆₀ の電荷輸送特性を調査します。 フォトCELIV技術を使用した/ LiF二重層[30、31]。追加ファイル1：図S1は、LiFシングルおよびC ₆₀ を備えたPSCについて、さまざまな電圧上昇速度で記録されたフォトCELIV過渡電流を示しています。 / LiFダブルCBL。 photo-CELIVでは、抽出電流の最大時間（ t _max ）は、式（1）に従って電荷キャリア移動度を推定するために使用されます。 1 [27]。 LiF（6 nm）のみのデバイスの計算された移動度は、3.71、3.40、および3.59×10 ^{− 5} です。 cm ² V ^{− 1} s ^{− 1} それぞれ10、20、および30 kV / sの電圧勾配の場合、移動度は電圧上昇速度に依存しないことを意味します。対照的に、C ₆₀ の推定移動度 （25 nm）/ LiF（6 nm）ベースのデバイスは3.81、3.56、および3.09×10 ^{− 4} cm ² V ^{− 1} s ^{− 1} 電圧スロープがそれぞれ10、20、30 kV / sの場合、LiF（6 nm）のみのデバイスよりも1桁高くなります。 C ₆₀ を導入した後の移動性の向上 層は、C ₆₀ で発生した混合から生じる電気伝導率の改善に起因する可能性があります。 / LiFインターフェース。さらに、LiF（6 nm）のみのデバイスのフォトCELIVピークは、C ₆₀ のピークよりも広いことに注意してください。 （25 nm）/ LiF（6 nm）ベースのデバイス。これは、電子と正孔の移動度の不均衡が大きいため、電荷輸送がより分散していることを示しています[32、33]。この不均衡は、電子の抽出が厚いLiF層によってブロックされていることを考慮すると、LiF（6 nm）のみのデバイスの電子移動度が非常に低いことに起因します。 P3HT：PCBM / LiFインターフェースに蓄積された電子は、印加された電界を遮蔽し、それによってデバイス内の電荷抽出率を低下させます。対照的に、C ₆₀ の狭いピーク （25 nm）/ LiF（6 nm）ベースのデバイスは、C ₆₀ の優れた導電性により、バランスの取れた電子と正孔の移動度、および改善された電子抽出を意味します。 （25 nm）/ LiF（6 nm）二重層。

FFの大幅な改善に加えて、 J _sc C ₆₀ を組み込んだ後、わずかに強化されます （25 nm）層。スピンコートされたP3HT：PCBMブレンドフィルムが上面近くのP3HTに富む領域で構成されていることを考慮すると[34、35]、この領域で生成された励起子はP3HT / C _{60 <で解離できると推測されます。 / sub> C 60 のインターフェース （25 nm）/ LiFベースのデバイス。これにより、 J が増加します。 sc C 60 のないデバイスと比較して 中間層。この推測を検証するために、ITO / PEDOT：PSS / P3HT / C 60 のデバイス構造でPSCを製造しました。 （25 nm）/ LiF / Al、ここでP3HTの厚さは5から100nmまで変化します。図4は、 J-V を示しています。 100 mW / cm ² 未満のこれらのデバイスの特性 照明（AM 1.5 G）、および対応する太陽光発電パラメータは、追加ファイル1：表S3にまとめられています。 J sc P3HT / C 60 の ベースの太陽電池は、P3HTの厚さが減少するにつれて増加します。これは、P3HTの制限された励起子拡散長（〜10 nm）の観点から合理化されています。 J sc 最大値1.34mA / cm ² に達します P3HTの厚さが10nmの場合、吸収が不十分なため、厚さがさらに5nmに減少して低下します。上記のように、そのようなP3HT / C 60 サブセルは、25nmの厚さのC 60 を堆積した後に形成される可能性が最も高いです。 P3HT：PCBMアクティブレイヤーの上にあり、1.34 mA / cm ² になります。 J の増加 sc C 60 の理想的な条件下 / LiFベースのデバイス[36]。 J を比較する sc C 60 がある場合とない場合のデバイスの値 （25 nm）中間層、 J の強化 sc 約1mA / cm ² （LiF（8 nm）ベースのデバイスを除く）。これは私たちの推測と一致しています。}

J - V ITO / PEDOT：PSS / P3HT（ x ）のデバイス構造を持つPSCの特性 nm）/ C ₆₀ （25 nm）/ LiF（1 nm）/ Al、さまざまな厚さのP3HTを使用

C ₆₀ を導入した後 P3HT：PCBM層とLiF層の間の層では、太陽電池内の光場分布が変化する可能性が高く、これにより J に変動が生じます。 _sc [26、37]。この効果を調査するために、最初に、C ₆₀ があるデバイスとないデバイスのP3HT：PCBMアクティブ層内の電界強度をシミュレートしました。 中間層。追加ファイル1：図S2aに示すように、C ₆₀ を組み込んだデバイスの積分電界強度 層は、C ₆₀ のないデバイスと比較して、短波長領域で弱く、長波長領域で強くなります。 中間層。この傾向はより顕著になり、同時に、C ₆₀ の増加に伴って赤方偏移が観察されます。 厚さ。追加ファイル1：図S2bは、元のC ₆₀ の吸収スペクトルを示しています。 フィルム、および異なるCBLが上に堆積されている場合とされていない場合のP3HT：PCBMフィルム。 P3HT：PCBM / C ₆₀ の吸収スペクトルの比較 （25 nm）厚さ8 nmのLiFがあるフィルムとないフィルムでは、2つの曲線がほぼ完全に重なり合っており、LiFが可視光を吸収しないことを示しています。一方、P3HT：PCBM / C ₆₀ フィルムは、元のP3HT：PCBMフィルムと比較して、400〜510 nmおよび580〜680nmの波長範囲でより高い吸収を示します。この吸収の強化は、C ₆₀ の増加とともにより顕著になります。 厚さ。直感的には、400〜510nmの波長範囲での吸収の向上はC ₆₀ から生じます。 吸収（400〜550 nm）。追加ファイル1：図S2cは、LiF（5 nm）シングルおよびC ₆₀ を使用したPSCの入射光子から電流への変換効率（IPCE）スペクトルを示しています。 （25 nm）/ LiF（5 nm）ダブルCBL。 LiFのみのデバイスと比較して、C ₆₀ のデバイス / LiFダブルCBLは、C ₆₀ での寄生吸収により、短波長でのIPCEが低くなります。 フィルムであり、光学スペーサー効果とP3HT / C ₆₀ の寄与により、長波長でより高いIPCEを示します。 サブセル。

表2から、C ₆₀ （25 nm）/ LiF（8 nm）ベースのデバイスは1.10％の低いPCEを示しますが、この効率はLiF（8 nm）のみのデバイスの効率（0.06％）よりもはるかに高くなっています。 PCEが低いのは、 J が小さいためです。 _sc FFは、大きな R によって引き起こされます _s 。上記のように、C ₆₀ （35 nm）/ LiF（5 nm）フィルムは、C ₆₀ の間に混合形態が形成されるため、良好な導電性を示します。 およびLiFレイヤー（図2を参照）。 C ₆₀ の高抵抗の理由を見つけるため （25 nm）/ LiF（8 nm）フィルム、AFM測定は、C ₆₀ の有無にかかわらずP3HT：PCBMフィルムで実行されました。 （25 nm）、LiF（8 nm）、およびC ₆₀ （25 nm）/ LiF（8 nm）層が上に堆積します。追加ファイル1：図S3に示すように、C ₆₀ では大きな球状の骨材が形成されます。 （25 nm）フィルムで、LiF（8 nm）フィルムには比較的小さな凝集体が形成されます。これは、図2の観察結果と同様です。C _{60 （25 nm）層、形態（小さな凝集体）は元のLiFフィルムの形態と非常に似ており、下にあるC 60 骨材は8nmの厚さのLiFで完全に覆われています。したがって、C 60 の上部に厚いLiFが蓄積すると推測されます。 （25 nm）/ LiF（8 nm）二重層フィルム。これにより、電子抽出が妨げられ、 R が高くなります。 s デバイスの。}