We use photoconductive atomic force microscopy to make local measurements of the open-circuit voltage as a function of light intensity in several polymer/fullerene bulk heterojunction blend solar cells. We find significant local variations in the slope of the open-circuit voltage plotted versus the log of the light intensity. By studying a model alkoxy-poly(p)-pheneylene-vinylene/phenyl--butyric acid methyl ester system with known vertical structure, and by comparing our results with a simple numerical model, we associate these local differences in versus light intensity with lateral variations in vertical morphology/composition. These results not only provide a qualitative method of mapping lateral variations in vertical structure/composition by making local measurements of as a function of light intensity but suggest that the unusual light-intensity dependence of (diode ideality factors in the light) of many organic photovoltaics can be linked with morphological heterogeneity.
REFERENCES
1.
I. Solarmer Energy, Press Release
2009
, http://www.solarmer.com/2.
Y.
Liang
, Z.
Xu
, J.
Xia
, S. -T.
Tsai
, Y.
Wu
, G.
Li
, C.
Ray
, and L.
Yu
, Adv. Mater.
22
, E135
(2010
).3.
G.
Yu
, J.
Gao
, J. C.
Hummelen
, F.
Wudl
, and A. J.
Heeger
, Science
270
, 1789
(1995
).4.
C. J.
Brabec
, A.
Cravino
, D.
Meissner
, N. S.
Sariciftci
, T.
Fromherz
, M. T.
Rispens
, L.
Sanchez
, and J. C.
Hummelen
, Adv. Funct. Mater.
11
, 374
(2001
).5.
W. J.
Potscavage
, A.
Sharma
, and B.
Kippelen
, Acc. Chem. Res.
42
, 1758
(2009
).6.
R. A.
Marsh
, C.
Groves
, and N. C.
Greenham
, J. Appl. Phys.
101
, 083509
(2007
).7.
K.
Maturová
, S. S.
van Bavel
, M. M.
Wienk
, R. A. J.
Janssen
, and M.
Kemerink
, Nano Lett.
9
, 3032
(2009
).8.
F.
Yang
and S. R.
Forrest
, ACS Nano
2
, 1022
(2008
).9.
S.
Lacic
and O.
Inganas
, J. Appl. Phys.
97
, 124901
(2005
).10.
C.
Waldauf
, M.
Morana
, P.
Denk
, P.
Schilinsky
, K.
Coakley
, S. A.
Choulis
, and C. J.
Brabec
, Appl. Phys. Lett.
89
, 233517
(2006
).11.
Z.
Xu
, L. M.
Chen
, G. W.
Yang
, C. H.
Huang
, J. H.
Hou
, Y.
Wu
, G.
Li
, C. S.
Hsu
, and Y.
Yang
, Adv. Funct. Mater.
19
, 1227
(2009
).12.
S. K.
Hau
, H. L.
Yip
, O.
Acton
, N. S.
Baek
, H.
Ma
, and A. K. Y.
Jen
, J. Mater. Chem.
18
, 5113
(2008
).13.
B. T.
de Villers
, C. J.
Tassone
, S. H.
Tolbert
, and B. J.
Schwartz
, J. Phys. Chem. C
113
, 18978
(2009
).14.
H.
Hoppe
and N. S.
Sariciftci
, J. Mater. Chem.
16
, 45
(2006
).15.
J. S.
Moon
, J. K.
Lee
, S. N.
Cho
, J. Y.
Byun
, and A. J.
Heeger
, Nano Lett.
9
, 230
(2009
).16.
M.
Dante
, J.
Peet
, and T. Q.
Nguyen
, J. Phys. Chem. C
112
, 7241
(2008
).17.
M.
Dante
, A.
Garcia
, and T. Q.
Nguyen
, J. Phys. Chem. C
113
, 1596
(2009
).18.
C. M.
Bjorstrom
, S.
Nilsson
, A.
Bernasik
, A.
Budkowski
, M.
Andersson
, K. O.
Magnusson
, and E.
Moons
, Appl. Surf. Sci.
253
, 3906
(2007
).19.
J.
Jo
, S. I.
Na
, S. S.
Kim
, T. W.
Lee
, Y.
Chung
, S. J.
Kang
, D.
Vak
, and D. Y.
Kim
, Adv. Funct. Mater.
19
, 2398
(2009
).20.
S. D.
Oosterhout
, M. M.
Wienk
, S. S.
van Bavel
, R.
Thiedmann
, L.
Jan Anton Koster
, J.
Gilot
, J.
Loos
, V.
Schmidt
, and R. A. J.
Janssen
, Nature Mater.
8
, 818
(2009
).21.
S. S.
van Bavel
, E.
Sourty
, G.
de With
, and J.
Loos
, Nano Lett.
9
, 507
(2009
).22.
M.
Campoy-Quiles
, T.
Ferenczi
, T.
Agostinelli
, P. G.
Etchegoin
, Y.
Kim
, T. D.
Anthopoulos
, P. N.
Stavrinou
, D. D. C.
Bradley
, and J.
Nelson
, Nature Mater.
7
, 158
(2008
).23.
D. S.
Germack
, C. K.
Chan
, B. H.
Hamadani
, L. J.
Richter
, D. A.
Fischer
, D. J.
Gundlach
, and D. M.
DeLongchamp
, Appl. Phys. Lett.
94
, 233303
(2009
).24.
H. J.
Snaith
, L.
Schmidt-Mende
, M.
Gratzel
, and M.
Chiesa
, Phys. Rev. B
74
, 045306
(2006
).25.
R. A.
Marsh
, C. R.
McNeill
, A.
Abrusci
, A. R.
Campbell
, and R. H.
Friend
, Nano Lett.
8
, 1393
(2008
).26.
V.
Dyakonov
, Appl. Phys. A: Mater. Sci. Process.
79
, 21
(2004
).27.
D.
Chirvase
, Z.
Chiguvare
, M.
Knipper
, J.
Parisi
, V.
Dyakonov
, and J. C.
Hummelen
, J. Appl. Phys.
93
, 3376
(2003
).28.
L. J. A.
Koster
, V. D.
Mihailetchi
, R.
Ramaker
, and P. W. M.
Blom
, Appl. Phys. Lett.
86
, 123509
(2005
).29.
C. M.
Ramsdale
, J. A.
Barker
, A. C.
Arias
, J. D.
MacKenzie
, R. H.
Friend
, and N. C.
Greenham
, J. Appl. Phys.
92
, 4266
(2002
).30.
J. A.
Barker
, C. M.
Ramsdale
, and N. C.
Greenham
, Phys. Rev. B
67
, 075205
(2003
).31.
P.
Schilinsky
, C.
Waldauf
, J.
Hauch
, and C. J.
Brabec
, J. Appl. Phys.
95
, 2816
(2004
).32.
M.
Chiesa
, L.
Burgi
, J. S.
Kim
, R.
Shikler
, R. H.
Friend
, and H.
Sirringhaus
, Nano Lett.
5
, 559
(2005
).33.
V. D.
Mihailetchi
, P. W. M.
Blom
, J. C.
Hummelen
, and M. T.
Rispens
, J. Appl. Phys.
94
, 6849
(2003
).34.
L. J. A.
Koster
, V. D.
Mihailetchi
, and P. W. M.
Blom
, Appl. Phys. Lett.
88
, 052104
(2006
).35.
J.
Liu
, Y. J.
Shi
, and Y.
Yang
, Adv. Funct. Mater.
11
, 420
(2001
).36.
G.
Li
, V.
Shrotriya
, J. S.
Huang
, Y.
Yao
, T.
Moriarty
, K.
Emery
, and Y.
Yang
, Nature Mater.
4
, 864
(2005
).37.
H. J.
Snaith
, N. C.
Greenham
, and R. H.
Friend
, Adv. Mater.
16
, 1640
(2004
).38.
H.
Xin
, O. G.
Reid
, G.
Ren
, F. S.
Kim
, D. S.
Ginger
, and S. A.
Jenekhe
, ACS Nano
4
, 1861
(2010
).39.
D. C.
Coffey
, O. G.
Reid
, D. B.
Rodovsky
, G. P.
Bartholomew
, and D. S.
Ginger
, Nano Lett.
7
, 738
(2007
).40.
L. S. C.
Pingree
, O. G.
Reid
, and D. S.
Ginger
, Nano Lett.
9
, 2946
(2009
).41.
C.
Groves
, O. G.
Reid
, and D. S.
Ginger
, Acc. Chem. Res.
43
, 612
(2010
).42.
D. C.
Coffey
and D. S.
Ginger
, Nature Mater.
5
, 735
(2006
).43.
S. E.
Shaheen
, C. J.
Brabec
, N. S.
Sariciftci
, F.
Padinger
, T.
Fromherz
, and J. C.
Hummelen
, Appl. Phys. Lett.
78
, 841
(2001
).44.
H.
Xin
, F. S.
Kim
, and S. A.
Jenekhe
, J. Am. Chem. Soc.
130
, 5424
(2008
).45.
T.
Martens
, J.
D’Haen
, T.
Munters
, Z.
Beelen
, L.
Goris
, J.
Manca
, M.
D'Olieslaeger
, D.
Vanderzande
, L.
De Schepper
, and R.
Andriessen
, Synth. Met.
138
, 243
(2003
).46.
K.
Maturová
, M.
Kemerink
, M. M.
Wienk
, D. S. H.
Charrier
, and R. A. J.
Janssen
, Adv. Funct. Mater.
19
, 1379
(2009
).47.
See supplementary material at http://dx.doi.org/10.1063/1.3482009 for details of how we calibrated the light intensity in pcAFM experiments; determination of the analog to digital converter (ADC) and digital to analog converter (DAC) offsets in the current amplifier used in pcAFM experiments; additional pcAFM data on polymer:fullerene blends in support of the conclusions made in the main text; details of contact potential difference measurements used to estimate the built-in field present in our pcAFM experiments; details of our numerical model; and more details on what parameters affect the slope of the diode ideality factor in our model.
48.
G.
Li
, C. W.
Chu
, V.
Shrotriya
, J.
Huang
, and Y.
Yang
, Appl. Phys. Lett.
88
, 253503
(2006
).49.
H. H.
Liao
, L. M.
Chen
, Z.
Xu
, G.
Li
, and Y.
Yang
, Appl. Phys. Lett.
92
, 173303
(2008
).50.
S. K.
Hau
, H. L.
Yip
, N. S.
Baek
, J. Y.
Zou
, K.
O’Malley
, and A. K. Y.
Jen
, Appl. Phys. Lett.
92
, 253301
(2008
).51.
V. D.
Mihailetchi
, J. K. J.
van Duren
, P. W. M.
Blom
, J. C.
Hummelen
, R. A. J.
Janssen
, J. M.
Kroon
, M. T.
Rispens
, W. J. H.
Verhees
, and M. M.
Wienk
, Adv. Funct. Mater.
13
, 43
(2003
).52.
M.
Hilczer
and M.
Tachiya
, J. Phys. Chem. C
114
, 6808
(2010
).53.
M.
Wojcik
and M.
Tachiya
, J. Chem. Phys.
130
, 104107
(2009
).54.
J. J. M.
van der Holst
, F. W. A.
van Oost
, R.
Coehoorn
, and P. A.
Bobbert
, Phys. Rev. B
80
, 235202
(2009
).55.
J. C.
Scott
and G. G.
Malliaras
, Chem. Phys. Lett.
299
, 115
(1999
).56.
W. F.
Pasveer
, J.
Cottaar
, C.
Tanase
, R.
Coehoorn
, P. A.
Bobbert
, P. W. M.
Blom
, D. M.
de Leeuw
, and M. A. J.
Michels
, Phys. Rev. Lett.
94
, 206601
(2005
).57.
D. C.
Coffey
and D. S.
Ginger
, J. Am. Chem. Soc.
127
, 4564
(2005
).58.
J. H.
Wei
, D. C.
Coffey
, and D. S.
Ginger
, J. Phys. Chem. B
110
, 24324
(2006
).59.
L. Y.
Park
, A. M.
Munro
, and D. S.
Ginger
, J. Am. Chem. Soc.
130
, 15916
(2008
).60.
P. J.
Hotchkiss
, H.
Li
, P. B.
Paramonov
, S. A.
Paniagua
, S. C.
Jones
, N. R.
Armstrong
, J. L.
Bredas
, and S. R.
Marder
, Adv. Mater.
21
, 4496
(2009
).© 2010 American Institute of Physics.
2010
American Institute of Physics
You do not currently have access to this content.
