Field-dependent charge collection model for thin film organic photovoltaics

Abstract

In this study, a unified charge collection model is developed using an optical cavity dependent charge carrier generation and non-uniform built-in electric field distribution within a bulk heterojunction photovoltaic device. The charge collection model relies on the experimental inputs related to the charge carrier dynamics such as mobilities of charge carriers, recombination lifetime, and junction width of charge carrier species. Optical cavity modes and field strength were calculated using the experimental variable angle ellipsometry analysis of individual components of the devices. In order to evaluate the model, ambient processed PCDTBT:PC71BM based conventional and inverted derive architectures were utilized to underline the effect of unintentional doping and distinct optical cavity modes. The simulated external quantum efficiency and shortcircuit current density profiles from the model were compared to the experimental results with differing active layers thicknesses and device architectures. The proposed charge collection model presented a high degree of correlation with the experimental results and underlined its validity for further application on other types of organic photovoltaic devices.Bu çalışmada, bir bulk heteroeklem fotovoltaik cihaz içinde optik kaviteye bağlı yük taşıyıcı üretimini ve homojen olmayan elektrik alan dağılımını gözönünde bulunduran birleştirilmiş yük toplama modeli geliştirilmiştir. Yük toplama modeli; yük taşıyıcıların mobiliteleri, rekombinasyon ömrü ve yük taşıyıcı türlerin bağlantı genişliği gibi yük taşıyıcı dinamiği ile ilgili deneysel girdilere dayanmaktadır. Optik kavite modları ve alan şiddeti, cihazların ayrı ayrı bileşenlerinin deneysel olarak değişken açılı elipsometri analizi kullanılarak hesaplanmıştır. Modeli değerlendirmek için, istenmeyen katkılama ve farklı optik kavite modlarının etkisinin altını çizmek için hava ortamında üretilmiş PCDTBT: PC71BM tabanlı geleneksel ve ters organik fotovoltaik mimariler karşılaştırmalı olarak kullanılmıştır. Modelden simüle edilen harici kuantum verimliliği ve kısa devre akım yoğunluğu profilleri, farklı aktif katman kalınlıkları ve cihaz mimarileri ile yapılan deneysel sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Önerilen yük toplama modeli, deney sonuçları ile yüksek derecede örtüşme göstererek diğer organik fotovoltaik aygıtlarda da uygulaması için geçerliliğinin altını çizmiştir.