横截面KPFM揭示厚PCDTBT:PCBM体异质结太阳能电池中的势能陷阱与肖特基势垒
利用开尔文探针力显微镜（KPFM）绘制了高开路电压PCDTBT:PCBM体异质结（BHJ）太阳能电池横截面的势能分布。势降主要局限在阴极界面，证实了光活性层表现为p型行为。在无电场的中心区域，测量到的势能遵循对数正态分布，表明存在宽泛的能量无序，能捕获空穴并增强双分子复合。阳极界面处的肖特基势垒进一步阻碍载流子提取，而耗尽区的势能梯度可通过降低被困载流子的势垒来缓解势能陷阱。 有机光伏（OPV）有望提供低成本、柔性的太阳能解决方案，但其商业化可行性取决于功率转换效率（PCE）能否突破10%。近期进展得益于新型给体/受体材料和优化的制备工艺。经典的P3HT:PCBM体系仅实现了3-5%的PCE，而为提高光吸收所需的较厚有源层，因复合增加和能量无序加剧，导致载流子收集效率下降。 横截面KPFM可提供内部电场和势能景观的纳米级洞见，但多数研究聚焦于P3HT:PCBM体系。本文将该方法拓展至PCDTBT:PCBM体异质结，该材料在薄器件中展现近乎100%的内量子效率，但在厚膜中性能下降。 PCDTBT（给体）和可溶性PCBM（受体）经旋涂形成70-150 nm厚的有源层，位于20 nm PEDOT:PSS空穴传输层（HTL）之上，底层为ITO。铝阴极在高真空下蒸发沉积。为进行KPFM测试，在高导电PEDOT:PSS阳极上制备200 nm有源层，经液氮劈裂以获得平滑横截面。 J-V曲线在AM 1.5G照射（100 mW cm⁻²）下用Keithley 236记录。KPFM（n-Tracer Nanofocus）在干燥氮气中进行；使用Pt/Ir涂层悬臂（350 kHz）同步获取AFM表面形貌和调频模式下的接触势差（CPD）。 增加有源层厚度因干涉效应改变短路电流（J_SC），而开路电压（V_OC）保持不变，表明内建势未变。但填充因子（FF）随厚度增加稳步下降，反映载流子收集变差。 KPFM形貌图（图3a）显示劈裂表面平滑，RMS粗糙度<200 nm。相位成像（图3b）清晰界定PEDOT:PSS/PCDTBT:PCBM界面。CPD映射（图3c）揭示陡峭势降局限于阴极侧（约70 nm），为耗尽区特征。靠近阳极的中部区域无电场，证实BHJ表现为有效的p型半导体。 阳极界面附近出现显著势能陷阱（图3c）。为确认其空间范围，扩大成像区域（图4）。CPD图像显示BHJ中随机分布的明暗斑点，表明宽泛的能量无序符合对数正态分布（图4d）。分布的长尾（σ≈400 meV）暗示高密度深陷阱态，可捕获空穴并增加双分子复合。 测量势能转化为能带图（图5a），PEDOT:PSS阳极与PCDTBT深HOMO形成0.4 eV肖特基势垒。该势垒延长空穴停留时间，提高复合概率。无电场区的势能陷阱（图5b）源于空穴陷阱分布导致的偶极子诱导能带弯曲。若有源层变薄（≈70 nm），耗尽场将覆盖陷阱区，通过肖特基势垒降低效应有效降低势垒，促进载流子提取。 用功函数更深的HTL（如MoOx）替代PEDOT:PSS可将阳极结转为欧姆接触，进一步提升提取效率。但本征能量无序仍是厚器件的瓶颈，凸显薄优质有源层或先进界面工程的重要性。 厚PCDTBT:PCBM体异质结电池的横截面KPFM揭示了阳极处的肖特基势垒和无电场区对数正态分布的势能陷阱。这些特征捕获空穴并增强双分子复合，解释了厚膜器件填充因子下降的原因。缓解策略包括：采用深功函数HTL消除肖特基势垒，以及设计与耗尽宽度相当的有源层厚度，利用肖特基势垒降低效应抑制势能陷阱。摘要
背景
方法
材料与器件制备
电学与KPFM表征
结果与讨论
厚度依赖的光伏性能
横截面势能映射
能带图与启示
结论
缩略语
纳米材料