断面KPFMが明らかにした厚膜PCDTBT:PCBMバルクヘテロ接合太陽電池におけるポテンシャルディップとショットキー障壁
ケルビンプローブ力顕微鏡（KPFM）を用いて、高開放電圧PCDTBT:PCBMバルクヘテロ接合（BHJ）太陽電池の断面ポテンシャル分布をマッピングした。ポテンシャル降下はカソード界面に限局しており、光活性層のp型振る舞いを確認した。電界フリーの中央領域では、測定ポテンシャルが対数正規分布に従い、正孔をトラップし二分子再結合を促進する広いエネルギー的無秩序さを示している。アノード界面におけるショットキー障壁がキャリア抽出をさらに妨げる一方、空乏領域のポテンシャル勾配はトラップキャリアの障壁を下げることでディップを緩和できる。 有機太陽電池（OPV）は低コスト・フレキシブルなソーラーソリューションを約束するが、その商業的実現性は10％以上の電力変換効率（PCE）にかかっている。近年の進展は新規ドナー/アクセプター材料と最適化された製造プロトコルによって推進されてきた。従来のP3HT:PCBM系は3〜5％のPCEを達成したが、より高い光吸収のために必要な厚い活性層では、再結合とエネルギー的無秩序の増大により電荷収集効率が低下する。 断面KPFMは内部電界とポテンシャルランドスケープへのナノスケール洞察を提供するが、ほとんどの研究はP3HT:PCBM系に焦点を当ててきた。ここではこのアプローチを、薄膜デバイスで近接単一内部量子効率を示すが厚膜で性能低下を来すPCDTBT:PCBM BHJに拡張する。 PCDTBT（ドナー）と可溶性PCBM（アクセプター）をスピンコートし、ITO上の20 nm PEDOT:PSS正孔輸送層（HTL）上に70〜150 nm厚の活性層を形成した。アルミニウムカソードを高真空下で蒸着。KPFM用には、高導電性PEDOT:PSSアノード上の200 nm活性層を液体窒素中で劈開し、平滑な断面を露出させた。 J-V曲線はキースリー236を用い、AM 1.5G照射（100 mW cm⁻²）下で記録。KPFM（n-Tracer Nanofocus）を乾燥窒素雰囲気下で実施；Pt/Irコートカンチレバー（350 kHz）を用い、AFM表面形像と周波数変調CPDを同時取得した。 活性層厚の増加は干渉効果により短絡電流（J_SC）をシフトさせるが、開放電圧（V_OC）は一定で、ビルトインポテンシャルが変わらないことを示す。一方、フィルファクター（FF）は厚みとともに着実に低下し、電荷収集の悪化を反映している。 KPFM表面形像（図3a）はRMS粗さ<200 nmの平滑な劈開面を示す。位相イメージング（図3b）はPEDOT:PSS/PCDTBT:PCBM界面を明確化。CPDマッピング（図3c）はカソード側（≈70 nm）に限局した急峻なポテンシャル降下、すなわち空乏領域を示す。アノード側の中央領域は電界フリーであり、BHJが実効的なp型半導体として振る舞うことを確認した。 アノード界面付近に顕著なポテンシャルディップが現れる（図3c）。その空間的広がりを確認するため、より広い領域を撮像した（図4）。CPD像はBHJ全体にランダムな明暗スポットを示し、σ≈400 meVの長い裾を持つ対数正規分布に従う広いエネルギー的無秩序を示唆する（図4d）。この深いトラップ準位の高密度は正孔を捕獲し、二分子再結合を増大させる。 測定ポテンシャルはエネルギーバンド図（図5a）に変換され、PEDOT:PSSアノードがPCDTBTの深いHOMOと0.4 eVのショットキー障壁を形成することを示す。この障壁は正孔滞在時間を延ばし、再結合確率を高める。電界フリー領域のポテンシャルディップ（図5b）は、正孔トラップ分布による双極子誘起バンドベンディングの現れである。活性層が薄ければ（≈70 nm）、空乏電界がディップと重なり、ショットキー障壁を効果的に低下させ（ショットキー障壁低下）、キャリア抽出を促進する。 PEDOT:PSSをMoOxなどのより深い仕事関数HTLに置換すれば、アノード接合をオーミックコンタクト化し、抽出効率をさらに改善できる。しかし、固有のエネルギー的無秩序は厚膜デバイスのボトルネックであり続け、薄く高品質な活性層や高度な界面エンジニアリングの重要性を強調する。 厚膜PCDTBT:PCBM BHJセルの断面KPFMにより、アノードにおけるショットキー障壁と電界フリー領域における対数正規分布ポテンシャルディップが明らかになった。これらは正孔をトラップし二分子再結合を促進し、厚膜でのフィルファクター低下を説明する。対策として、より深い仕事関数HTLによるショットキー障壁の除去、および空乏層幅に匹敵する活性層厚によるショットキー障壁低下効果でのディップ抑制が有効である。要旨
背景
手法
材料とデバイス製造
電気特性およびKPFM評価
結果と考察
膜厚依存性の光起電力特性
断面ポテンシャルマッピング
エネルギーバンド図とその含意
結論
略語
ナノマテリアル