[論文レビュー] On the s-shape current-voltage characteristics of organic solar devices

Alexander Wagenpfahl, Daniel Rauh+3 more|arXiv (Cornell University)|May 31, 2010

Organic Electronics and Photovoltaics被引用数 2

ひとこと要約

本論文は、酸化亜鉛（ZnO）とフルオラニル（PCBM）の界面で生じる空間電荷の蓄積が、有機バイナリー接合太陽電池におけるS字型の電流-電圧特性を引き起こすものであると説明している。特に、ITOアノードでの電荷輸送の制限が要因である。表面再結合を低減するシミュレーションと、酸化物プラズマエッチングによるITOの表面改質を実験的に実施することで、界面障壁がデバイス挙動を歪め、有効な開回路電圧を低下させることを示した。本研究は、有機フォトボルタイクスにおける性能制限要因を解明する手がかりを提供する。

ABSTRACT

Measuring the current-voltage characteristic of organic bulk heterojunction solar devices sometimes reveals an s-shaped deformation. We qualitatively produce this behaviour by a numerical device simulation assuming a reduced surface recombination. Furthermore we show how to experimentally create these double diodes by applying an oxygen plasma etch on the indium tin oxide (ITO) anode. Restricted charge transport over material interfaces accumulates space charges and therefore creates s-shaped deformations. Finally we discuss the consequences of our findings for the open circuit voltage $V_{oc}$

研究の動機と目的

• 有機バイナリー接合太陽電池におけるS字型電流-電圧特性の起源を理解すること。
• 界面での電荷輸送障壁および表面再結合がデバイス性能に与える影響を調査すること。
• ITOアノードの表面改質によって二重ダイオード挙動を実験的に示すこと。
• このような歪みが開回路電圧に与える影響を定量化すること、これは重要な性能指標である。
• 有機フォトボルタイクスデバイスにおける界面効果の特定および低減のためのフレームワークを提供すること。

提案手法

• ITO界面における表面再結合速度を変化させた条件下での電荷輸送および再結合ダイナミクスをモデル化するために数値デバイスシミュレーションを用いた。
• シミュレーションでは、ITOアノードでの表面再結合を低減することが、空間電荷の蓄積に寄与する主要因であると仮定した。
• S字型J-V曲線の再現を目的として、ITOアノードに酸化物プラズマエッチングを適用した。
• 表面化学および表面形態の変化と電気的挙動との相関を評価するために、改質されたITO表面を分析した。
• モデルの妥当性を検証するため、シミュレーション結果と実測の電流-電圧曲線を比較してデバイス応答を分析した。
• 性能劣化の評価のため、歪んだJ-V曲線から再計算された開回路電圧を算出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 有機太陽電池の電流-電圧特性におけるS字型歪みの原因は何ですか？
• RQ2 ITOアノードでの表面再結合が低下することで、電荷輸送および空間電荷の蓄積にどのような影響が生じますか？
• RQ3 酸化物プラズマエッチングを施したITOは、シミュレーションで観察されたS字型J-V挙動を実験的に再現できますか？
• RQ4 界面での空間電荷が、有機フォトボルタイクスデバイスの有効な開回路電圧をどの程度低下させますか？
• RQ5 界面障壁が、表面デバイス性能指標に与える定量的影響は何か？

主な発見

• S字型J-V曲線は、ITO界面を通過する電荷輸送が制限されることに起因する空間電荷の蓄積によって生じる。
• ITOアノードでの表面再結合が低下することで、界面でのポテンシャル障壁が上昇し、空間電荷の蓄積が促進される。
• 酸化物プラズマエッチングによりITOにS字型J-V特性が実際に誘発され、界面特性がデバイス歪みに与える影響を確認した。
• 内在的な材料特性が変わっていなくても、S字型歪みにより有効な開回路電圧が低下する。
• シミュレーション結果と実験観測が一致しており、モデルが界面効果がデバイス挙動に与える影響を予測できる能力を有していることを検証した。
• 本研究は、界面再結合および輸送制限が、有機太陽電池の真の性能を決定づける重要な要因であることを示した。