利用鐵電薄膜研究體異質(zhì)結(jié)型有機(jī)光伏器件的光電流極性

李 博

(浙江工業(yè)大學(xué)理學(xué)院應(yīng)用物理系,杭州310023)

利用鐵電薄膜研究體異質(zhì)結(jié)型有機(jī)光伏器件的光電流極性

李 博*

(浙江工業(yè)大學(xué)理學(xué)院應(yīng)用物理系,杭州310023)

制備了鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛(PMN-PT)鐵電薄膜,并通過紫外-可見(UV-Vis)透射光譜、X射線衍射(XRD)和原子力顯微鏡(AFM)對其進(jìn)行了表征.為了研究體異質(zhì)結(jié)型有機(jī)共混膜的光電流特性,制作了氧化銦錫(ITO)/ PMN-PT/有機(jī)共混膜/鋁(Al)的光伏器件,調(diào)制激光照射下外加偏壓的極性和大小變化將直接改變瞬態(tài)光電流的極性和大小,從而可在實(shí)驗(yàn)上證明傳統(tǒng)體異質(zhì)結(jié)型有機(jī)光伏器件的光電流極性是由器件陰、陽電極的功函數(shù)差所導(dǎo)致的內(nèi)建電場的方向決定.同時(shí)也提出了一種利用鐵電薄膜來研究體異質(zhì)結(jié)型有機(jī)光伏器件光電流特性的新方法.

鐵電薄膜;有機(jī)物;光伏器件;體異質(zhì)結(jié);瞬態(tài)光電流;鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛;極性

1 引言

有機(jī)光伏器件因其具有制備工藝簡單、價(jià)格低廉、可折疊和質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn),近幾十年來一直是國內(nèi)外研究的熱點(diǎn).1-4其中體異質(zhì)結(jié)型有機(jī)光伏器件因具有較高的能量轉(zhuǎn)換效率和響應(yīng)率而備受青睞,5-9體異質(zhì)結(jié)是指將電子給體和電子受體兩種有機(jī)半導(dǎo)體材料按照一定比例混合起來而制備得到的共混膜,其比雙層膜異質(zhì)結(jié)擁有更大的給體/受體接觸面積,更短的給體/受體界面到電極的距離和更短的光生激子到給體/受體界面的擴(kuò)散距離,10,11從而可獲得更多的在給體/受體界面處由光生激子電荷分離生成的載流子.正負(fù)載流子亦可通過較短的路徑到達(dá)相應(yīng)的電極,彌補(bǔ)了有機(jī)半導(dǎo)體低電導(dǎo)率的缺陷,因而體異質(zhì)結(jié)型有機(jī)光伏器件是研究的重點(diǎn).12-15在雙層膜異質(zhì)結(jié)型有機(jī)光伏器件中,給體和受體分別只和陽極、陰極電極接觸,因此正負(fù)載流子的運(yùn)動(dòng)方向性較明確,即在給體/受體界面處由光生激子電荷分離生成的電子和空穴分別經(jīng)受體和給體向陰極和陽極電極運(yùn)動(dòng).16-19體異質(zhì)結(jié)由于是共混膜,具有對稱性,給體和受體分別均與陽極和陰極電極接觸,因此由光生激子電荷分離生成的空穴和電子均可向陰、陽極電極運(yùn)動(dòng),10,20此時(shí)光電流的方向由陰、陽電極功函數(shù)差所導(dǎo)致的內(nèi)建電場的方向決定,10,11,21由于內(nèi)建電場的存在,載流子將定向運(yùn)動(dòng),空穴將往高功函數(shù)的陽極電極運(yùn)動(dòng),而電子將往低功函數(shù)的陰極電極運(yùn)動(dòng).從理論上分析,改變內(nèi)建電場的極性和強(qiáng)度應(yīng)可改變光電流的極性和大小.在陰、陽電極兩端外加直流偏壓將可直接改變共混膜內(nèi)合電場的極性和強(qiáng)度,但會(huì)使器件產(chǎn)生較大的直流電流,不利于光電流的觀察和測量,因此需要阻止此直流電流.基于此本文提出了結(jié)構(gòu)為ITO/PMN-PT/有機(jī)共混膜/Al的光伏器件,PMN-PT具有良好的電絕緣性和很高的介電常數(shù),22-25是一種重要的功能陶瓷材料,26PMN-PT薄膜的引入等效于在陽極電極和有機(jī)體異質(zhì)結(jié)共混膜間加入了一個(gè)電容器,電容可有效阻止由于外加直流偏壓而產(chǎn)生的直流電流,通過調(diào)制激光照射該器件,可觀察到交變的瞬態(tài)光電流,外加偏壓的極性和大小變化將直接改變瞬態(tài)光電流的極性和大小,從而可在實(shí)驗(yàn)上證明傳統(tǒng)體異質(zhì)結(jié)型有機(jī)光伏器件的光電流極性是由器件陰、陽電極的功函數(shù)差所導(dǎo)致的內(nèi)建電場的方向決定的,同時(shí)也提出了一種利用鐵電薄膜來研究體異質(zhì)結(jié)型有機(jī)光伏器件光電流特性的新方法.

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 器件制備和光電流測量

有機(jī)半導(dǎo)體酞菁鋅(ZnPc,Sigma-Aldrich,純度97%)和富勒烯(C60,Sigma-Aldrich,純度99.9%)的共混膜作為有機(jī)半導(dǎo)體工作層,其中ZnPc在使用前經(jīng)過升華法提純一次,C60未經(jīng)進(jìn)一步提純而直接使用.氧化銦錫(ITO)和鋁(Al)分別作為陽極和陰極電極.有機(jī)化合物ZnPc和C60的化學(xué)結(jié)構(gòu)如圖1所示.

將鍍有ITO的玻璃基片(薄膜電阻小于10 Ω·□-1)依次在2-丙醇、丙酮和三氯甲烷中經(jīng)過超聲波分別洗滌10 min,最后經(jīng)氮?dú)獯蹈?在ITO上先制備PMN-PT薄膜,然后在其上用真空鍍膜法依次鍍上有機(jī)半導(dǎo)體工作層和鋁電極,其中ZnPc:C60的共混膜是通過在真空鍍膜機(jī)(ULVAC VPC-410,Japan)中同時(shí)蒸發(fā)ZnPc和C60得到,分別控制加熱ZnPc和C60所需的電流,使得它們的蒸發(fā)速率比為1:1,且總的蒸發(fā)速率為0.06 nm·s-1,制備的膜厚為50 nm,Al的蒸發(fā)速率和膜厚分別為0.1 nm·s-1、100 nm.膜厚用石英晶振監(jiān)控,真空鍍膜時(shí)的真空度均控制在3×10-4Pa.制備得到結(jié)構(gòu)為ITO/PMN-PT/ZnPc:C60/ Al的器件,器件的結(jié)構(gòu)和光電流測量示意圖如圖2所示,外加偏壓的正端連接ITO,電流測量的正端連接Al電極.ITO和Al電極的寬度分別為2和1 mm,器件的有效面積為2 mm2.瞬態(tài)光電流由電流放大器(Keithley 428,USA)連接示波器(Tektronix TDS5104B,USA)測量得到,外加偏壓由電流放大器的內(nèi)置電壓源提供.輸出波長為532 nm的連續(xù)激光器(CrystaLaser CL532-025-L,USA)經(jīng)光學(xué)斬波器(NF 5584A,Japan)調(diào)制后入射到器件上,光學(xué)斬波器的工作頻率為3000 Hz,激光器的輸出光功率密度為35 mW·cm-2.分光光度計(jì)(Jasco V-570,Japan)測量ZnPc:C60共混膜的吸收光譜和PMN-PT薄膜的透射光譜.PMN-PT薄膜的XRD譜圖和表面形貌分別由薄膜XRD儀(Rigaku RINT-2000,Japan)和AFM (Seiko SPA400,Japan)測量得到.利用源表(Keithley 2400,USA)測量器件的伏安特性曲線.

圖1 ZnPc(a)和C60(b)的化學(xué)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Chemical structures of ZnPc(a)and C60(b)

圖2 器件ITO/PMN-PT/ZnPc:C60/Al的結(jié)構(gòu)和光電流測量示意圖Fig.2 Device structure of ITO/PMN-PT/ZnPc:C60/Al and the scheme of the photocurrent measurement

2.2 PMN-PT薄膜制備

(1-x)PMN-xPT(0≤x≤1)是Pb(Mg1/3Nb2/3)O3(PMN)與PbTiO3(PT)形成的固溶體,在PT含量介于0.3-0.35之間時(shí)存在準(zhǔn)同型相界,27此時(shí)PMN-PT具有特高的介電常數(shù),22在本實(shí)驗(yàn)研究中控制PT含量為0.32.

先按照文獻(xiàn)28中的方法合成PT溶膠,然后將PMN粉末(Sigma-Aldrich,純度99.99%)按照比例加入到PT溶膠中,并加入分散劑1,2-丙二醇(Sigma-Aldrich,ACS reagent,≥99.5%)在超聲波中攪拌1 h后得到0.68PMN-0.32PT的懸浮溶液.將要制膜的基片通過浸漬涂布的方法制備PMN-PT薄膜,即把基片浸入PMN-PT的懸浮溶液中,用3 mm·s-1的速率將基片從溶液中取出.然后將覆有PMN-PT薄膜的基片先在300°C環(huán)境中干燥1 min,再放入550°C爐中加熱15 min.可通過不斷重復(fù)上述過程來增加薄膜的厚度,最后制備成500 nm厚的PMN-PT薄膜,膜厚通過薄膜厚度測試儀(Bruker dektak 150, USA)測量得到.

3 結(jié)果與討論

ZnPc:C60共混膜的吸收光譜和PMN-PT薄膜的透射光譜如圖3所示,ZnPc:C60共混膜是廣泛使用的有機(jī)光伏器件材料,29,30其在532 nm處有吸收, PMN-PT對可見光透明,23在該波長處有較高的透光率.

圖3 石英玻璃基片上的ZnPc:C60共混膜吸收光譜和PMN-PT薄膜透射光譜Fig.3 Absorption spectrum of ZnPc:C60blend film on the quartz substrate and the transmitted spectrum of the PMN-PT thin film

PMN-PT薄膜的XRD譜圖如圖4所示,從衍射峰可見薄膜的主要成分為鈣鈦礦相的PMN-PT,但有少量的焦綠石相,24,25,31-33且薄膜在(110)晶面方向存在明顯的擇優(yōu)取向.

PMN-PT薄膜的表面形貌如圖5所示,薄膜致密且無明顯裂縫.

為進(jìn)一步確認(rèn)PMN-PT薄膜的絕緣性,測試了器件ITO/PMN-PT/Al的伏安特性曲線,如圖6所示, PMN-PT薄膜顯示大電阻特性,器件在偏壓下產(chǎn)生極小的外電流,其在器件中具有較好的絕緣性.

圖4 PMN-PT薄膜的XRD譜圖Fig.4 XRD pattern of PMN-PT thin film

當(dāng)光入射到基于ZnPc:C60共混膜的體異質(zhì)結(jié)型有機(jī)光伏器件后,在ZnPc和C60內(nèi)將各自產(chǎn)生光生激子(電子-空穴對),激子運(yùn)動(dòng)到ZnPc和C60的分子界面處發(fā)生電荷分離從而生成自由電子和空穴,所生成的電子和空穴分別在C60和ZnPc中傳輸.體異質(zhì)結(jié)型有機(jī)光伏器件的光電流仍具有特定的方向性,器件采用了具有不同功函數(shù)的陰、陽電極,功函數(shù)差所導(dǎo)致的內(nèi)建電場將決定光電流方向,通常內(nèi)建電場將使得電子注入到低功函數(shù)的陰極電極中,空穴注入到高功函數(shù)的陽極電極中.ITO和Al的功函數(shù)分別為-4.8和-4.3 eV,由ITO和Al電極功函數(shù)差所導(dǎo)致的內(nèi)建電場方向是從Al指向ITO,因此對基于ITO/ZnPc:C60/Al的器件,光生激子電荷分離后的電子將注入到Al中,空穴將注入到ITO中.從理論上分析,改變陰、陽電極的功函數(shù)將可改變體異質(zhì)結(jié)型有機(jī)光伏器件的光電流極性和大小,但若要從實(shí)驗(yàn)上加以證明需要制備一系列具有不同功函數(shù)電極組合的器件,而利用偏壓所產(chǎn)生的外加電場來影響由于電極功函數(shù)差所導(dǎo)致的內(nèi)建電場,從而調(diào)控合電場,進(jìn)而得到在電場下共混膜的光電流特性.直接在器件電極上外加偏壓會(huì)產(chǎn)生較大的直流電流,不利于對光電流的觀察和測量,因此需要阻止此直流電流而僅研究光電流信號.通過在共混膜和電極間加入PMN-PT薄膜,PMN-PT的加入相當(dāng)于引入一個(gè)電容器,因此直流電流將無法通過該器件,可有效阻止外加偏壓所產(chǎn)生的直流電流,但交變的位移電流可以通過該器件,因此用光學(xué)斬波器調(diào)制連續(xù)激光得到周期性的光開關(guān)信號,將其入射到器件上即可以得到周期性的交變光電流,稱之為瞬態(tài)光電流,通過研究光開時(shí)瞬態(tài)光電流的極性和大小即可了解共混膜在偏壓下的光電流特性.

圖5 PMN-PT薄膜的AFM圖像Fig.5 AFM image of PMN-PT thin film

圖6 器件ITO/PMN-PT/Al的伏安特性曲線Fig.6 J-V characteristic curve of the device ITO/ PMN-PT/Al

器件ITO/PMN-PT/ZnPc:C60/Al在負(fù)偏壓下的瞬態(tài)光電流如圖7所示,圖8為光開時(shí)峰值瞬態(tài)光電流密度和負(fù)偏壓的關(guān)系曲線.器件的ITO和Al電極功函數(shù)差所導(dǎo)致的內(nèi)建電場方向是從Al指向ITO,外加負(fù)偏壓所形成的外加電場方向和內(nèi)建電場方向一致,共混膜內(nèi)的合電場變大,因而其一方面會(huì)加速光生載流子的定向運(yùn)動(dòng),另一方面會(huì)減小光生激子電荷分離生成的電子和空穴的再復(fù)合幾率,因此隨著負(fù)偏壓的增大光電流會(huì)顯著增大.

圖7 器件ITO/PMN-PT/ZnPc:C60/Al的入射光功率密度和負(fù)偏壓下的瞬態(tài)光電流密度Fig.7 Incident light power density and transient photocurrent density under negative bias voltages of the device ITO/PMN-PT/ZnPc:C60/AlThe red line is the time dependence of the incident light power density and the black,yellow,blue,and green lines are the time dependence of the transient photocurrent density under bias voltages of 0,-0.5,-1.0, and-2.0 V,respectively.

圖8 器件ITO/PMN-PT/ZnPc:C60/Al在光開時(shí)峰值瞬態(tài)光電流密度和負(fù)偏壓的關(guān)系曲線Fig.8 Negative bias voltage dependence of the peak transient photocurrent density in light-on period of the device ITO/PMN-PT/ZnPc:C60/Al

圖9 器件ITO/PMN-PT/ZnPc:C60/Al的入射光功率密度和正偏壓下的瞬態(tài)光電流密度Fig.9 Incident light power density and transient photocurrent density under positive bias voltages of the device ITO/PMN-PT/ZnPc:C60/AlThe red line is the time dependence of the incident light power density and the black,yellow,blue,green,cyan,and purple lines are the time dependence of the transient photocurrent density under bias voltages of 0,0.5,1.0,1.5,2.0,and 4.0 V,respectively.

器件ITO/PMN-PT/ZnPc:C60/Al在正偏壓下的瞬態(tài)光電流如圖9所示,圖10為光開時(shí)峰值瞬態(tài)光電流密度和正偏壓的關(guān)系曲線.外加正偏壓所形成的外加電場方向和內(nèi)建電場方向相反,因此隨著正偏壓的增大,外加電場會(huì)逐漸抵消內(nèi)建電場,共混膜內(nèi)的合電場逐漸減小,從而使得光生激子電荷分離生成的電子和空穴逐漸失去特定的運(yùn)動(dòng)方向性,電子和空穴的再復(fù)合幾率增大,導(dǎo)致光電流顯著減小.隨著正偏壓的進(jìn)一步增大,當(dāng)完全抵消內(nèi)建電場后,共混膜內(nèi)的合電場方向?qū)⒑屯饧与妶龇较蛞恢?此時(shí)繼續(xù)增大正偏壓,電子和空穴將再次具有特定的運(yùn)動(dòng)方向性,即電子向ITO電極運(yùn)動(dòng),空穴向Al電極運(yùn)動(dòng),光電流的極性發(fā)生改變,且光電流的大小隨著正偏壓的增大而增大.

圖10 器件ITO/PMN-PT/ZnPc:C60/Al在光開時(shí)峰值瞬態(tài)光電流密度和正偏壓的關(guān)系曲線Fig.10 Positive bias voltage dependence of the peak transient photocurrent density in light-on period of the device ITO/PMN-PT/ZnPc:C60/Al

以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明,共混膜內(nèi)合電場的極性和大小將直接影響體異質(zhì)結(jié)型有機(jī)光伏器件的光電流的極性和大小,從而在實(shí)驗(yàn)上證明了傳統(tǒng)體異質(zhì)結(jié)型有機(jī)光伏器件的光電流極性是由器件陰、陽電極的功函數(shù)差所導(dǎo)致的內(nèi)建電場的方向決定的.

4 結(jié)論

通過在體異質(zhì)結(jié)型有機(jī)光伏器件的有機(jī)共混膜和電極間加入一層鐵電薄膜,可阻止由于外加直流偏壓而產(chǎn)生的直流電流,從而得到在偏置電壓下器件的光電流特性.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在負(fù)偏壓下瞬態(tài)光電流大小隨偏壓的增大而增大,而在正偏壓下瞬態(tài)光電流先隨偏壓的增大而減小,在其極性發(fā)生變化后,其大小隨偏壓的增大而增大,證明了傳統(tǒng)體異質(zhì)結(jié)型有機(jī)光伏器件的光電流極性是由器件陰、陽電極的功函數(shù)差所導(dǎo)致的內(nèi)建電場的方向決定的.同時(shí)本文也提出了一種利用鐵電薄膜來研究體異質(zhì)結(jié)型有機(jī)光伏器件光電流特性的新方法.該方法對研究體異質(zhì)結(jié)型有機(jī)光伏器件具有一定的應(yīng)用價(jià)值.

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September 6,2011;Revised:October 26,2011;Published on Web:November 11,2011.

Investigation on Photocurrent Polarity of a Bulk Heterojunction Organic Photovoltaic Device Using a Ferroelectric Thin Film

LI Bo*
(Department of Applied Physics,College of Science,Zhejiang University of Technology,Hangzhou 310023,P.R.China)

The ferroelectric thin film of lead magnesium niobate-lead titanate(PMN-PT)was fabricated and characterized using UV-Vis transmission spectroscopy,X-ray diffraction(XRD),and atomic force microscopy(AFM).To determine the photocurrent properties of the bulk heterojunction organic blend film a photovoltaic device with the structure of tin indium oxide(ITO)/PMN-PT/organic blend film/aluminum(Al) was fabricated.Under modulated laser irradiation the amplitude and polarity of the transient photocurrent varied with the bias voltage,which shows that the photocurrent polarity of a conventional bulk heterojunction organic photovoltaic device is determined by the internal electric field that is induced by the difference between the work function of the anode and cathode electrodes.A new method is proposed for investigating the photocurrent properties of bulk heterojunction organic photovoltaic devices.

Ferroelectric thin film;Organics;Photovoltaic device;Bulk heterojunction;Transient photocurrent;Lead magnesium niobate-lead titanate;Polarity

10.3866/PKU.WHXB201111111

*Corresponding author.Email:libo@zjut.edu.cn;Tel:+86-571-85290552.

The project was supported by the National Natural Science Foundation of China(61008008).

國家自然科學(xué)基金(61008008)資助項(xiàng)目

O646