The application of oxide buffer layers for improved carrier extraction is ubiquitous in organic electronics. However, the performance is highly susceptible to processing conditions. Notably, the interface stability and electronic structure is extremely sensitive to the uptake of ambient water. In this study we use density functional theory calculations to asses the effects of adsorbed water on the electronic structure of MoOx, in the context of polymer-fullerene solar cells based on PCDTBT. We obtain excellent agreement with experimental values of the ionization potential for pristine MoO3 (010). We find that IP and EA values can vary by as much as 2.5 eV depending on the oxidation state of the surface and that adsorbed water can either increase or decrease the IP and EA depending on the concentration of surface water.
References
1.
Z.-K.
Tan
, Y.
Vaynzof
, D.
Credgington
, C.
Li
, M. T. L.
Casford
, A.
Sepe
, S.
Huettner
, M.
Nikolka
, F.
Paulus
, L.
Yang
, H.
Sirringhaus
, N. C.
Greenham
, and R. H.
Friend
, Adv. Funct. Mater.
24
, 3051
(2014
).2.
Y.
Zhou
, C.
Fuentes-Hernandez
, J.
Shim
, J.
Meyer
, A. J.
Giordano
, H.
Li
, P.
Winget
, T.
Papadopoulos
, H.
Cheun
, J.
Kim
, M.
Fenoll
, A.
Dindar
, W.
Haske
, E.
Najafabadi
, T. M.
Khan
, H.
Sojoudi
, S.
Barlow
, S.
Graham
, J.-L.
Brédas
, S. R.
Marder
, A.
Kahn
, and B.
Kippelen
, Science
336
, 327
(2012
).3.
K. T.
Butler
and J. H.
Harding
, Phys. Rev. B
86
, 245319
(2012
).4.
K. T.
Butler
, Phys. Status Solidi A
212
, 1461
(2015
).5.
M.
Muccini
, Nat. Mater.
5
, 605
(2006
).6.
S.
Liu
, R.
Liu
, Y.
Chen
, S.
Ho
, J. H.
Kim
, and F.
So
, Chem. Mater.
26
, 4528
(2014
).7.
F.
Xie
, W. C. H.
Choy
, C.
Wang
, X.
Li
, S.
Zhang
, and J.
Hou
, Adv. Mater.
25
, 2051
(2013
).8.
X.
Li
, F.
Xie
, S.
Zhang
, J.
Hou
, and W. C. H.
Choy
, Adv. Funct. Mater.
24
, 7348
(2014
).9.
P.
Qin
, G.
Fang
, F.
Cheng
, W.
Ke
, H.
Lei
, H.
Wang
, and X.
Zhao
, ACS Appl. Mater. Interfaces
6
, 2963
(2014
).10.
M. D.
Irwin
, D. B.
Buchholz
, A. W.
Hains
, R. P. H.
Chang
, and T. J.
Marks
, Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
105
, 2783
(2008
).11.
P.
Schulz
, S. R.
Cowan
, Z.-L.
Guan
, A.
Garcia
, D. C.
Olson
, and A.
Kahn
, Adv. Funct. Mater.
24
, 701
(2014
).12.
T.
Aytun
, A.
Turak
, I.
Baikie
, G.
Halek
, and C. W.
Ow-Yang
, Nano Lett.
12
, 39
(2012
).13.
M. T.
Greiner
, M. G.
Helander
, Z. B.
Wang
, W. M.
Tang
, J.
Qiu
, and Z. H.
Lu
, Appl. Phys. Lett.
96
, 213302
(2010
).14.
J.
Meyer
, S.
Hamwi
, M.
Kröger
, W.
Kowalsky
, T.
Riedl
, and A.
Kahn
, Adv. Mater.
24
, 5408
(2012
).15.
A. A.
Balandin
and I. D.
Rozhdestvenskaya
, Bull. Acad. Sci. USSR, Div. Chem. Sci.
8
, 1804
(1959
).16.
J.
Griffin
, D. C.
Watters
, H.
Yi
, A.
Iraqi
, D.
Lidzey
, and A. R.
Buckley
, Adv. Energy Mater.
3
, 903
(2013
).17.
T. A.
Papadopoulos
, J.
Meyer
, H.
Li
, Z.
Guan
, A.
Kahn
, and J.-L.
Brédas
, Adv. Funct. Mater.
23
, 6091
(2013
).18.
E. S. R.
Bovill
, J.
Griffin
, T.
Wang
, J. W.
Kingsley
, H.
Yi
, A.
Iraqi
, A. R.
Buckley
, and D. G.
Lidzey
, Appl. Phys. Lett.
102
, 183303
(2013
).19.
M. C.
Gwinner
, R. D.
Pietro
, Y.
Vaynzof
, K. J.
Greenberg
, P. K. H.
Ho
, R. H.
Friend
, and H.
Sirringhaus
, Adv. Funct. Mater.
21
, 1432
(2011
).20.
S. W.
Cho
, L. F. J.
Piper
, A.
DeMasi
, A. R. H.
Preston
, K. E.
Smith
, K. V.
Chauhan
, R. A.
Hatton
, and T. S.
Jones
, J. Phys. Chem. C
114
, 18252
(2010
).21.
K. T.
Butler
, J.
Buckeridge
, C. R. A.
Catlow
, and A.
Walsh
, Phys. Rev. B
89
, 115320
(2014
).22.
K. T.
Butler
and A.
Walsh
, Thin Solid Films
559
, 64
(2014
).23.
G.
Heimel
, F.
Rissner
, and E.
Zojer
, Adv. Mater.
22
, 2494
(2010
).24.
D. O.
Scanlon
, G. W.
Watson
, D. J.
Payne
, G. R.
Atkinson
, R. G.
Egdell
, and D. S. L.
Law
, J. Phys. Chem. C
114
, 4636
(2010
).25.
R.
Coquet
and D. J.
Willock
, Phys. Chem. Chem. Phys.
7
, 3819
(2005
).26.
G.
Kresse
and J.
Furthmüller
, Phys. Rev. B
54
, 11169
(1996
).27.
P. E.
Blöchl
, Phys. Rev. B
50
, 17953
(1994
).28.
G.
Kresse
, Phys. Rev. B
59
, 1758
(1999
).29.
30.
J. P.
Perdew
, A.
Ruzsinszky
, G. I.
Csonka
, O. A.
Vydrov
, G. E.
Scuseria
, L. A.
Constantin
, X.
Zhou
, and K.
Burke
, Phys. Rev. Lett.
100
, 136406
(2008
).31.
J.
Moreno
and J. M.
Soler
, Phys. Rev. B
45
, 13891
(1992
).32.
A. V.
Krukau
, O. A.
Vydrov
, A. F.
Izmaylov
, and G. E.
Scuseria
, J. Chem. Phys.
125
, 224106
(2006
).33.
See https://github.com/WMD-Bath/MacroDensity for information on obtaining Hartree potential plots (accessed July 30, 2015).
34.
M.
Kroger
, S.
Hamwi
, J.
Meyer
, T.
Riedl
, W.
Kowalsky
, and A.
Kahn
, Appl. Phys. Lett.
95
, 123301
(2009
).35.
J.
Bardeen
, Phys. Rev.
49
, 653
(1936
).36.
N.
Lang
and W.
Kohn
, Phys. Rev. B
3
, 1215
(1971
).37.
A. J.
Logsdail
, D. O.
Scanlon
, C. R. A.
Catlow
, and A. A.
Sokol
, Phys. Rev. B
90
, 155106
(2014
).38.
J.
Buckeridge
, K. T.
Butler
, C. R. A.
Catlow
, A. J.
Logsdail
, D. O.
Scanlon
, S. A.
Shevlin
, S. M.
Woodley
, A. A.
Sokol
, and A.
Walsh
, Chem. Mater.
27
, 3844
(2015
).39.
X.
Yin
, H.
Han
, and A.
Miyamoto
, Mol. Mod. Ann.
7
, 207
(2001
).40.
A.
Kuzmin
and J.
Purans
, J. Phys.: Condens. Matter
12
, 1959
(2000
).41.
M.
Grundmann
, The Physics of Semiconductors
, 2nd ed. (Springer-Verlag
, Berlin Heidelberg
, 2010
).42.
N. E.
Widjonarko
, P.
Schulz
, P. A.
Parilla
, C. L.
Perkins
, P. F.
Ndione
, A. K.
Sigdel
, D. C.
Olson
, D. S.
Ginley
, A.
Kahn
, M. F.
Toney
, and J. J.
Berry
, Adv. Energy Mater.
4
, 1301879
(2014
).43.
K. K.
Bass
, R. E.
McAnally
, S.
Zhou
, P. I.
Djurovich
, M. E.
Thompson
, and B. C.
Melot
, Chem. Commun.
50
, 15819
(2014
).© 2015 AIP Publishing LLC.
2015
AIP Publishing LLC
You do not currently have access to this content.
