Nanoscale interpretation of performances in organic solar cells and field effect transistors

Abstract

Dos de los principales retos a superar en el campo de la electrónica orgánica son el control la morfología de la capa semiconductora y las propiedades de las interfases. En particular, las interfases formadas por la capa orgánica semiconductora y los electrodos metálicos influyen fuertemente en el comportamiento de los dispositivos. Hasta el momento se ha dedicado un gran esfuerzo a la mejora de estas interfases siguiendo para ello diferentes estrategias como son el uso de monocapas autoensambladas (SAMs), capas de óxidos metálicos o mediante el dopaje de los contactos. Con respecto a la morfología, se ha probado que ésta juega un papel fundamental en la disociación de los excitones, en la extracción de la carga y en la recombinación en células solares orgánicas (OSCs), así como en las propiedades de trasporte en transistores orgánicos de efecto campo (OFETs). En este trabajo se utiliza principalmente el microscopio de fuerza atómica (AFM) y, en menor medida, otras técnicas de caracterización de superficies, y en la investigación de interfases que forman parte de estos dispositivos. En particular, se ha empleado el microscopio de fricción atómica (FFM), el microscopio de conducción de fuerza atómica (AFM) y el microscopio de Kelvin de fuerza atómica (KPFM) en dispositivos OSC y OFETs, con el objetivo de correlacionar la caracterización a escala nanométrica con el rendimiento macroscópico de los dispositivos. Este documento está organizado de la siguiente forma. Las motivaciones del trabajo se presentan en el Capítulo 1. En el Capítulo 2 se incluye una introducción teórica a los semiconductores orgánicos y a los conceptos de autoensamblado y nanoestructuración. Las técnicas y metodologías empleadas en la tesis se describen en el Capítulo 3. Los resultados se presentan en los capítulos 4, 5, 6 y 7. En el Capítulo 4 se detalla el fundamento físico del Transverse Shear Microscopy (TSM). La combinación de datos experimentales con resultados de simulaciones numéricas nos ha permitido probar que la señal de TSM tiene naturaleza disipativa. El Capítulo 5 se centra en el efecto de las capas transportadoras de huecos (HTLs) y su impacto en el rendimiento de células solares fabricados con materiales orgánicos y con perovskitas. Respecto a las células solares, hemos demostrado que el uso de SAMs de ácidos fosfónicos cambia favorablemente la función de trabajo del cátodo de ITO, pero también induce una acumulación de carga en la interfase con efectos negativos en el rendimiento del dispositivo. En las células solares de perovskitas, a pesar de utilizar un material recientemente sintetizado como HTL con una posición del HOMO más favorable, el alineamiento energético en la interfase con el TiO2 resulta menos favorable, dando lugar a peores propiedades de las células solares. El Capítulo 6 está dedicado al efecto del solvent vapor annealing (SVA) en la cristalinidad y la separación vertical de fase en células solares de oligotiofenos comprobando que, al aplicar el método SVA, los dominios del oligómero muestran mejor cristalinidad, mientras que los dominios del fullereno aumentan en tamaño, mejorando las propiedades fotovoltaicas de los dispositivos. En el Capítulo 7 hemos realizado una caracterización a escala nanométrica de OFETs fabricados con C8-BTBT:PS mediante FFM de OFETs fabricados con C8-BTBT:PS, que ha permitido resolver la separación vertical de fase del PS y el C8-BTBT. Mediante KPFM, se obtuvieron mapas del potencial de superficie de los OFETs, a partir de los que se han obtenido valores de la resistencia de contacto y de la movilidad de carga para diferentes electrodos y concluyendo que la resistencia de contacto es un factor crítico que limita el rendimiento de estos dispositivos.

Las principales conclusiones de la tesis se incluyen en el Capítulo 8

Two of the main challenges in organic electronic devices are the semiconducting layer morphology and the interface properties. Particularly, the interfaces formed by the semiconducting organic layer and the metallic electrodes strongly influence the performance of the devices. Thus, a strong effort has been devoted to improve these interfaces by different approaches such as self assembled monolayers (SAMs), layer of metalic oxides or contact doping. Concerning the morphology, it has been proven that it plays a fundamental role in exciton dissociation, charge collection and recombination in organic solar cells (OSC), as well as in the transport properties in organic field effect transistors (OFETs).

In this work we make use of atomic force microscopy (AFM) and, in a lesser extent, of other surface characterization techniques for the study of surfaces and interfaces that conform organic electronic devices. In particular, we focus on the use of friction force microscopy (FFM), conductive atomic force microscopy (C-AFM) and Kelvin probe force microscopy (KPFM) operating modes on OSC and OFETs devices with the goal of correlating the nanoscale characterization with the macroscopic performance of the devices.

This thesis is organized in the following way: the motivations of this work are presented in Chapter 1. In Chapter 2 a brief theoretical introduction on organic semiconductors and the concept of self assembly and nanostructuration is given, while in Chapter 3 the techniques employed during this thesis as well as the used methodologies are described. The results are presented in the Chapters 4, 5, 6 and 7. In Chapter 4 we study in detail the physical origin behind Transverse Shear Microscopy (TSM). By combining experimental data with simulations, we prove that the TSM signal has a dissipative origin and we use the technique to obtain the crystalline orientation of tip-induced grown PTCDI-C8 islands.

In Chapter 5 we focus on the effect of hole transport layers (HTLs) for both organic and perovskites solar cells. For bulk-heterojunction solar cells (BHJ) we prove that the use of phosphonic acid self assembled monolayers (SAMs) changes the workfunction of the ITO cathode in a favourable way, but also induces a charge accumulation density at the interface with detrimental effects for the cell performance. In perovskite solar cells, despite using newly synthesized HTL with more favourable HOMO position, the energy level alignment at the interface with the TiO2 results less favourable leading to worse photovoltaic device properties.

Chapter 6 is devoted to the solvent vapor annealing (SVA) effect on the crystallinity and vertical phase separation on oligothiophene bulkheterojunction solar cells. We prove that, upon SVA, the oligomer domains present better crystallinity while the fullerene domains increase in size, enhancing the photovoltaic performance of the devices.

In Chapter 7, a nanoscale characterization by means of FFM was correlated with the device performance for C8-BTBT:PS OFETs, providing with a picture at the nanoscale of the organic films vertical phase separation. By means of KPFM, maps of the surface potential of the OFETs were obtained, allowing us to extract contact resistance and charge mobility values for different electrodes, concluding that the contact resistance is the critical factor limiting the devices performance. Finally, in Chapter 8, the main conclusions of this thesis will be collected.