Mise en évidence du dopage non intentionnel des semi-conducteurs organiques

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Le dopage intentionnel des semi-conducteurs organiques imprimés est largement étudié ces dernières années [1] avec notamment l’incorporation de molécules telles que F4TCNQ ou Mo(tfd-COCF3)3. Les couches de semi-conducteurs organiques dopés sont en effet très intéressantes pour remplacer des couches d’interface classiquement utilisées et obtenir ainsi de bons contacts ohmiques (Figure 1). Quelques articles récents mettent en évidence le potentiel dopage non intentionnel des couches de semi-conducteurs organiques : toutefois, s’il n’est pas maîtrisé, il ne se propage pas seulement à l’interface mais également dans le cœur de la couche active, ce qui affecte directement l’efficacité des dispositifs et de leur fiabilité dans le temps. Dans ce contexte, les chercheurs de l’Université du Texas (USA) ont mis en évidence le dopage n « subi » d’une couche active de P3HT:PCBM par le PEI, qui constitue la couche de transport d’électron et assure un bon contact avec l’électrode [2]. Cette observation n’est pas nouvelle et rappelle par exemple la publication plus ancienne du groupe de l’Université de Linköping (Suède) [3] qui mettait déjà en évidence, par des méthodes d’analyse telles que l’XPS, des mesures de conductivité et d’autres techniques de spectroscopie, le dopage des semi-conducteurs organiques par le PEI. L’originalité de l’équipe américaine  réside dans la méthode proposée : le dopage n non intentionnel est ici mis en évidence directement par la caractérisation électrique du dispositif lui-même (ici une cellule solaire) couplée à des simulations. Les mesures I-V, EQE et de capacité en fonction de la tension couplée à une analyse Mott-Schottky permettent d’identifier un dopage de la couche active. Quand la couche ETL est composée de PEI, le dopage est plus d’un ordre de grandeur supérieur à celui observé avec du ZnO.

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Figure 1: Illustration du processus de dopage dans les semi-conducteurs organiques. Extrait avec la permission de Chem. Rev. 116, 13714 (2017). Copyright ACS publishing.

Il semble donc primordial de bien maîtriser la migration potentielle d’espèces au sein de la couche active pour prévenir un dopage non intentionnel de celle-ci (dopage n via le PEI dans cet exemple mais on peut également citer le dopage p par l’O2).  Cet article démontre que les méthodes mises au point dans le cadre des études sur le dopage intentionnel des couches permettent de mieux caractériser et prévenir ce problème.