Influence of surface processes on the current-voltage characteristic of organic solar cells

Abstract

Organic solar cells (OSCs) are emerging low-cost, easy production photovoltaics. Their efficiency is strongly affected by the interface physics that needs to be researched. In this thesis, the interface physics of metal/inorganic semiconductor and metal/organic semiconductor contacts is considered. The basic structures and operation principles of OSCs are reviewed and a detailed description of the drift-diffusion model (DDM) used for modeling the OSCs is included. An extensive and detailed literature review of different physical effects that can cause the S-kink appearance in the current density-voltage (J-V) characteristics of OSCs is presented. The original research results on ITO/(poly(3,4‒ethilenedioxythiophene):poly (styrenesulfonate))PEDOT:PSS/(poly(3‒hexylthiophene))P3HT:(1‒(3‒methoxycarbonyl)propyl‒1‒phenyl‒[6,6]‒methanofullerene) PCBM/Al and ITO/PEDOT:PSS/P3HT:(indene‒C60 bisadduct) ICBA/Al solar cells are presented and discussed. The influence of the surface processes on the shape of OSCs’ J-V characteristics has been investigated by DDM. The surface recombination and thermal injection of charge carriers on the anode and cathode are taken into account through boundary conditions. It is deduced that there are two different types of S-shape deviations in OSCs' J-V characteristics, one arises from the reduced surface recombination velocities (SRVs), and the other is attributed to the large (>0.2eV) injection barrier height for electrons. The measured J-V characteristics of ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/Al and ITO/PEDOT:PSS/P3HT:ICBA/Al solar cells are reproduced well by the DDM. It is anticipated that the S-shaped J-V curves of ITO/PEDOT:PSS/P3HT:ICBA/Al solar cells originate from the large electron barrier height on the cathode, rather than by the reduction of the SRVs.

Органске соларне ћелије су јефтине фотоволтаичне направе лаке производње. Њихова ефикасност јако зависи од контактне физике на електродним спојевима коју треба истражити. У овој тези, у уводном делу, разматрана је физика на споју метала и неорганског полупроводника, као и на споју метала и органског полупроводника. Представљене су основне структуре и описан је принцип рада органских соларних ћелија (ОСЋ), а дрифт-дифузиони модел (ДДМ) који се користи за моделовање ОСЋ је детаљно размотрен. Саставни део дисертације је и опсежан преглед литературе на тему различитих физичких ефеката који могу проузроковати појаву S-девијације струјно-напонске (I-V) карактеристике ОСЋ. Спроведено је оригнално истраживање на ITO/(poly(3,4‒ethilenedioxythiophene):poly (styrenesulfonate))PEDOT:PSS/(poly(3‒hexylthiophene))P3HT:(1‒(3‒methoxycarbonyl)propyl‒1‒phenyl‒[6,6]‒methanofullerene) PCBM/Al and ITO/PEDOT:PSS/P3HT:(indene‒C60 bisadduct) ICBA/Al соларним ћелијама и добијени резултати су представљени и продискутовани. Утицај површинских процеса на облик I-V карактеристике ОСЋ је испитан помоћу ДДМ. Површинска рекомбинација и термичка инјекција носилаца наелектрисања на аноди и катоди узете су у обзир кроз граничне услове. Закључено је да постоје две различите врсте S-девијације I-V криве ОСЋ. Прва врста потиче од редукованих брзина површинске рекомбинације (БПР) док се друга врста може приписати великој висини инјекционе баријере (>0,2eV) за електроне. Измерене I-V карактеристике ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/Al и ITO/PEDOT:PSS/P3HT:ICBA/Al соларних ћелија су добро репродуковане помоћу ДДМ. Утврђено је да S-девијација I-V кривих ITO/PEDOT:PSS/P3HT:ICBA/Al соларних ћелија потиче од велике висине инјекционе баријере за електроне на катоди, а не од редукованих БПР.