Mobilité des porteurs de charges dans les polymères

JOURNEE MATEOH 2010
25 Novembre 2010
MATEOH-PV
Matériaux et Technologies Organiques
et Hybrides pour le Photovoltaïque
Mobilité des porteurs de charges dans les
polymères semiconducteurs : applications
aux cellules photovoltaïques organiques
Sadiara Fall
[email protected]
InESS, Strasbourg, France
LIPHT, Strasbourg, France
Dr. Patrick Lévêque
Doctorante Laure Biniek
Pr. Thomas Heiser
Dr. Nicolas Leclerc
En collaboration avec: Dimitri A. Ivanov, Denis V. Anokhin (IS2M, Mulhouse)
Martin Brinkmann (ICS, Strasbourg)
Plan
 Introduction et contexte
 Rappel sur le fonctionnement des transistors
 Elaboration des dispositifs
 Résultats expérimentaux
 Conclusion et perspectives
2
Introduction et contexte
Energy
Fermi level 
E
ΦITO
ΦAl
LUMO
4,3 eV
3LUMO
5 eV
5
Cellule photovoltaïque
organique à hétérojonction
en volume idéale
EG
4
1
2
4
5
+
HOMO
DONEUR
HOMO
ACCEPTEUR
 Recombinaison
Transport des charges libres
 Création de charge d’espace
 Architecture du polymère
 Morphologie du mélange polymère/accepteur
3
Introduction et contexte
Etude d’une nouvelle famille de polymères semiconducteurs à
faible bande interdite
Etude du transport de charges: v = µ E
Utilisation des transistors organiques à effet de champ
 Matériaux purs (un seul type de porteurs)
 Mélanges polymère/fullerène (électrons et trous)
4
Rappel sur le fonctionnement des transistors organiques à effet de champ
COUCHE ACTIVE
SOURCE
DRAIN
DIELECTRIQUE
GRILLE
Structure bottom-contact
Newman et al. Chem. Mater., Vol. 16, No. 23, 2004
5
Rappel sur le fonctionnement des transistors organiques à effet de champ
W
L
GRILLE
Vg
Pour Vds petit
Pour Vds grand
Extraction de la mobilité :
linéaire et saturé
Vds
Courant de drain Ids(µA)
COUCHE ACTIVE
SOURCE
DRAIN
DIELECTRIQUE
I ds 
WCox  
1 ² 
V

V
V

Vds 
g
th ds
L 
2



Vg=-40V
-80
Vg=-30V
-40
0
saturation Vg=-20V
0
-20
-40
-60
Vg=-10V
Vg=0V
Tension de drain Vds(V)
HYPOTHESES
Champ électrique parallèle au substrat très petit devant celui
perpendiculaire
Mobilité des porteurs constante dans le tout le canal
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Rappel sur le fonctionnement des transistors organiques à effet de champ
COUCHE ACTIVE
SOURCE +++++ - - - - - - DRAIN
DIELECTRIQUE
GRILLE
Niveau du vide
el
Electrode
LUMO
b,e: barrière d’injection d’électrons
b,h: barière d’injection de trous
HOMO
Courant de drain Ids(A)
Fonctionnement d’un transistor ambipolaire
 A faible tension de grille, injection d’électrons par le drain
Vg=0V
-4,0x10
-6
-2,0x10
-6
0,0
Vg=-80V
0
-30
-60
-90
Tension de drain Vds(V)
 Polymères ambipolaires
 Mélanges SCO de type P/type N
Polymère
7
Elaboration des transistors
COUCHE
COUCHE ACTIVE
ACTIVE
SOURCE
DRAIN
Au
Au
DIELECTRIQUE
Si02
GRILLE
N++ Si
Conditions de dépôt
Solution : 4mg/mL
Solvant : o-DCB
Dépôt : tournette
Mise sous vide
Traitement à l’hexaméthyldisilazane
(HMDS)
 Conduction sur quelques couches
moléculaires
 état de l’ interface diélectrique/SCO
 nettoyage standard insuffisant
COUCHE ACTIVE
Au
Au
Si02
N++ Si
 traitement de surface de l’oxyde
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Résultats expérimentaux
Polymères semiconducteurs à faible bande interdite
Chaînes linéaires en position α Chaînes linéaires en position β Chaînes ramifiées en position β
S
S
S
N
N
N
S
S
S
*
n
*
S
*
S
C12H25
C12H25
C12H25
N
N
S
S
n
*
N
S
S
S
*
S
n
S
C12H25
PTBzT²-C12α (chlar1)
PTBzT²-C12β (chlar3) PTBzT²-CEHβ (chlar4)
Mn = 16 000 g/mol
Mn = 14 000 g/mol
Mn = 12 000 g/mol
 Etude du transport de charges par l’élaboration de transistors
organiques
 matériaux purs : impact des chaînes latérales
 mélanges avec le PCBM_C60 : corrélation avec les
résultats PV
Macromolecules, DOI: 10.1021/ma102164c
9
*
Résultats expérimentaux
Étude des matériaux purs
polymère
chlar1
chlar3
chlar4
Mobilité des
trous
(cm²/V.s)
4.5 x 10-4
1 x 10-5
1 x 10-3
Impact des chaînes latérales sur le transport de charges
 meilleure conjugaison de la position α vers la position β
 µ faible de chlar3 inexpliqué à ce jour
Macromolecules, DOI: 10.1021/ma102164c
10
Résultats expérimentaux
Étude des mélanges polymères/PCBM_C60
chlar1
1,4
1,2
chlar3
PCE (%)
1
chlar4
0,8
0,6
0,4
0,2
0
0
1:1
1
1:2
2
1:3
3
1:4
4
5
Relative Polymer:PCBM ratio
Etude du transport de charges (électrons et trous) dans les
mélanges polymère/PCBM par l’élaboration de transistors
ambipolaires
 ratio 1:1 et 1:4
11
µ (cm²/V.s)
Résultats expérimentaux
1,4
1,2
10
-3
1x10
-4
1x10
10
10
-3
1x10
-4
-5
1x10
-5
-6
10
µh µe
-6
PCE (%)
1
1:1
1:4
Ratio polymère/PCBM_C60
0,8
0,6
0,4
0,2
0
0
1:1
1
1:2
2
1:3
3
1:4
4
5
Relative Polymer:PCBM ratio
Chlar1/PCBM
12
Résultats expérimentaux
µ (cm²/V.s)
1,4
1,2
1x10
-4
1x10
-4
1x10
-5
1x10
-5
-6
10
-7
10
µh µe
-6
10
PCE (%)
1
10
0,8
-7
1:4
1:1
Ratio polymère/PCBM_C60
0,6
0,4
0,2
0
0
1:1
1
1:2
2
1:3
3
1:4
4
5
Relative Polymer:PCBM ratio
Chlar3/PCBM
13
Résultats expérimentaux
-2
-2
10
µ (cm²/v.s)
-3
1,4
1,2
10
µh µe
10
-3
10
-4
-4
10
10
PCE (%)
1
1:4
1:1
Ratio polymère/PCBM_C60
0,8
0,6
0,4
0,2
0
0
1:1
1
1:2
2
1:3
3
1:4
4
5
Relative Polymer:PCBM ratio
Chlar4/PCBM
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Conclusion et perspectives
Conclusion
 L’impact des chaînes latérales sur le transport de charges et sur le
rendement photovoltaïque
 Le transistor organique à effet de champ est un bon moyen d’étudier le
transport de charges dans les matériaux purs et les mélanges (caractère
ambipolaire)
Perspectives
Etude complémentaire du transport de charges : Temps de vol,
SCLC
Etude du transport de charges du reste de la famille des nouveaux polymères
à faible bande interdite
PPBzT²-EHβ :  = 3,7%
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