CARRIER TRAPS AS TRANSPORT STATES IN BULK-HETEROJUNCTION P3HT:PCBM STRUCTURES FOR SOLAR PHOTOVOLTAICS
V. Kažukauskas^a, M. Pranaitis^a, A. Arlauskas^a, M. Glatthaar^b, and A. Hinsch^b
aSemiconductor Physics Department and Institute of Materials Science and Applied Research, Vilnius University, Saulėtekio 9, LT-10222 Vilnius, Lithuania
E-mail: vaidotas.kazukauskas@ff.vu.lt
^bFraunhofer Institute for Solar Energy, Freiburg, Germany

Received 17 April 2009; revised 16 June 2009; accepted 18 June 2009

We report the investigation of carrier transport as affected by trapping states in blends of poly-3-hexylthiophene (P3HT) with the fullerene derivative [6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PCBM) that are promising materials for the organic solar cell development. Devices have been fabricated from P3HT:PCBM blends with 6:5 wt. ratio in the inverted layer configuration. Their solar efciency is 3.7% and the fill factor of the current–voltage dependences is up to 68%. We demonstrate that, despite such relatively good macroscopic parameters, the carrier trapping is effectively involved in transport phenomena. The results have been analysed numerically by taking into account the carrier thermal generation from traps as well as the mobility variation according to the Gaussian disorder model. Mobility parameters obtained by both methods demonstrate good coincidence. The evaluated density of trapping states is up to 10²⁰–10²¹ cm^–3 and their activation energy is about 0.18 eV. At such a high density these relatively shallow states could presumably act as transport states, limiting the carrier mobility.

Keywords: organic solar cells, inverted layer sequence, efficiency, carrier trapping, mobility

KRŪVININKŲ GAUDYKLĖS KAIP KRŪVIO PERNAŠOS BŪSENOS ERDVINĖSE ĮVAIRIATARPĖSE P3HT:PCBM SAULĖS ELEMENTŲ STRUKTŪROSE
V. Kažukauskas^a, M. Pranaitis^a, A. Arlauskas^a, M. Glatthaar^b, A. Hinsch^b
aVilniaus universiteto Medžiagotyros ir taikomųjų mokslų institutas, Vilnius, Lietuva
^bFraunhoferio saulės energijos institutas, Fraiburgas, Vokietija

Organinių medžiagų, skirtų optoelektronikai, makroskopinius parametrus iš esmės lemia krūvininkų pernašos savybės, tokiu būdu paveikdamos ir kuriamų prietaisų funkcionalumą bei efektyvumą. Todėl organinių medžiagų inžinerija bei prietaisų kūrimo ir tobulinimo perspektyvos priklauso nuo fundamentinių žinių, sukauptų tiriant krūvio pernašą ir su ja susijusius reiškinius. Buvo tiriama krūvininkų pernaša ir pagavimas P3HT:PCBM aktyviajame mišinyje, skirtame organinių fotovoltinių elementų gamybai. Tirtųjų struktūrų energijos konversijos efektyvumas siekė 3,7 proc., o apšviestų 1,5 AM spektro šviesa elementų voltamperinių charakteristikų užpildos faktorius viršijo 68 proc. Nustatėme, jog, nepaisant šių palyginti neblogų kiekybinių rodiklių, krūvininkų pernašą stipriai veikia jų pagavimas. Įvertinus gaudyklių parametrus, gauta aktyvacijos energija, siekianti 0,18 eV, o gaudyklių tankis buvo 10²⁰–7$\cdot$10²¹ cm^–3. Esant tokiam dideliam šių būsenų tankiui, jos gali elgtis kaip krūvio pernašos būsenos, lemiančios krūvininkų judrį. Srovės kitimas bandiniuose buvo analizuojamas atsižvelgiant ir į krūvininkų šiluminę aktyvaciją iš gaudyklių, ir į jų judrio kitimą, nusakomą Gauso netvarkos modeliu. Paaiškėjo, jog judrio parametrai, gauti ir analizuojant šiluma skatinamųjų srovių priklausomybes, ir tiesiogiai matuojant judrį, sutampa.