[论文解读] 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 2

一句话总结

本文将有机体相异质结太阳能电池中s形电流-电压特性归因于界面处受限电荷传输导致的空间电荷积累，特别是 indium tin oxide (ITO) 阳极界面。通过模拟降低表面复合速率，并通过氧气等离子体刻蚀 ITO 实验诱导此类效应，本研究展示了界面势垒如何扭曲器件行为并降低有效开路电压，从而为有机光伏器件的性能限制提供了洞见。

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 $V_{oc}$

研究动机与目标

• 理解有机体相异质结太阳能电池中s形电流-电压特性的起源。
• 研究界面电荷传输势垒和表面复合如何影响器件性能。
• 通过 ITO 阳极表面修饰，实验验证双二极管行为的形成。
• 量化此类畸变对开路电压的影响，后者是关键性能指标。
• 为识别和减轻有机光伏器件中的界面效应提供框架。

提出的方法

• 采用数值器件模拟来建模不同 ITO 界面表面复合速率下的电荷传输与复合动力学。
• 模拟假设 ITO 阳极处表面复合速率降低是导致空间电荷积累的关键因素。
• 应用氧气等离子体刻蚀处理 ITO 阳极，以实验方式改变表面特性并诱导出 s 形 J-V 曲线。
• 对改性后的 ITO 表面进行表征，将表面化学与形貌变化与电学行为相关联。
• 通过对比模拟与实测的电流-电压曲线分析器件响应，以验证模型。
• 从畸变的 J-V 曲线重新计算开路电压，以评估性能退化程度。

实验结果

研究问题

• RQ1 是什么原因导致有机太阳能电池电流-电压特性出现 s 形畸变？
• RQ2 ITO 阳极处表面复合速率降低如何影响电荷传输与空间电荷积累？
• RQ3 能否通过 ITO 的氧气等离子体刻蚀在实验中重现模拟中观察到的 s 形 J-V 行为？
• RQ4 界面空间电荷在多大程度上降低了有机光伏器件的有效开路电压？
• RQ5 界面势垒对器件表观性能指标的定量影响是什么？

主要发现

• s 形 J-V 曲线源于 ITO 界面电荷传输受限引起的空间电荷积累。
• ITO 阳极处表面复合速率降低导致界面势垒升高，促进空间电荷累积。
• 对 ITO 进行氧气等离子体刻蚀可成功诱导出 s 形 J-V 特性，证实了界面特性在器件畸变中的作用。
• 即使本征材料特性保持不变，s 形畸变仍会降低有效开路电压。
• 模拟结果与实验观测一致，验证了模型预测界面效应影响器件行为的能力。
• 本研究表明，界面复合与传输限制是决定有机太阳能电池真实性能的关键因素。