Stability and photophysics investigation of organic solar cells based on single component materials

Language
en
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2021-12-20
Issue Year
2021
Authors
He, Yakun
Editor
Abstract

OPV has experienced significant progress in these few years and achieved efficiencies up to 18.2%. For large-scale applications, the gold triangle including efficiency, cost, and stability should be fulfilled at the same time. However, most of the bulk heterojunction (BHJ) active layers suffer from severe phase separation especially under thermal stress, which is caused by the thermodynamically unstable equilibrium. Therefore, the stability issue for industrial application is highly required to be solved. Single component materials (SCMs), containing both donor and acceptor units within one molecule or polymer, can realize exciton generation, charge dissociation, and transport. This covalently-bonded chemical structure endows SCMs intrinsic morphology stability, resistant to slow movement of donor and acceptor, and the evolution of morphology into large phase separation. However, due to the slow development of SCMs, the stability of SCMs has seldom been investigated although the motivation to develop SCMs is to solve the morphological instability in BHJ. In this thesis, for the first time, a series of SCMs have been investigated systematically on both photophysics and stabilities, to understand underlying specific mechanisms of SCMs compared with BHJ. In particular, stabilities of SCMs have been characterized under different conditions including both thermal stress and illumination stress. For the first time, ultrahigh stability under concentrated light or at high temperature has been obtained for SCMs by extracting degradation factors such as unstable interface layers or electrodes. Finally, SCMs with intrinsically high stability have been evidenced. In the first part of this thesis, a state-of-the-art double-cable polymer PBDBPBI-Cl is employed, and underlying photophysical processes are probed to shed light on the efficiency limitation for SCMs. From steady-state and transient characterizations on different time scales from fs-ps charge generation to ns-μs charge recombination processes, the influence of post-treatment on the efficiency of charge dissociation and recombination dynamics has been investigated. By thermal annealing the photoactive layer at 230 oC, promising photovoltaic performance has been achieved, which is contributed by the most efficient charge generation and suppressed recombination. The second work in this thesis is focused on a series of SCMs (dyads) employing fullerene as the acceptor unit and an oligomer as the donor unit. Dyad1 with the shortest spacer length between donor and acceptor units exhibits the highest efficiency after solvent vapor annealing treatment. Because of the stronger restraint effect, Dyad1 displays higher stability than Dyad2 and Dyad3 under both thermal stress and light stress. As expected, Dyads show significantly better stability than the corresponding BHJ solar cell. Solar cells with the normal structure display worse stability compared with those with the inverted structure, revealing the instability factors from interface layers. By employing the inverted structure, especially, Dyad1 exhibits excellent stability under light illumination without showing any performance decrease after testing for 1400 hours under light intensity equal to 1 sun. Furthermore, under highly concentrated light (7.5 suns), 98% efficiency remains after testing for 1250 hours, which is among the highest light stability performance. The third work in this thesis is based on a double-cable polymer SCP3 employing DPP and BDT units as donor backbone and PBI as acceptor unit. Its stability under both thermal stress and light stress has been researched in detail. By adding a modifying layer between interface and active layers and choosing a more compatible electrode, SCP3 solar cells with the inverted structure exhibit excellent stability. Specifically, there is no performance decrease at 90 oC aging, under LED light illumination (1 sun) or 90 oC & 1 sun bi-stress during the test for 300 hours. The charge generation, charge transport and recombination properties of devices have been investigated and no obvious change occurs after aging. In particular, SCP3-based solar cells show extremely high stability under thermal stress, exhibiting comparable temperature coefficients as inorganic solar cells and maintaining 100% efficiency even after thermal aging at 160 oC for over 400 hours. In the fourth part of this thesis, a double-cable polymer PBDBPBI-Cl has been investigated regarding the device physics and stability behavior. Multiple measurements such as TPV, CE, Photo-CELIV are conducted to characterize the recombination behavior. Moreover, detailed losses regarding JSC, VOC, and FF are calculated, revealing its improvement compared to former-generation SCMs and on the other hand its distance from high efficiency. Furthermore, its light stability is also measured and 93% PCE remains after 300 hours of aging, significantly improved compared with the corresponding BHJ, which shows severe burn-in degradation. In particular, PBDBPBI-Cl solar cells employing an inverted structure with ZnO as ETL show a reversible degradation upon UV light, which is caused by the photo-shunt effect of ZnO when exposed to an overdose of UV light. On the other hand, this decrease is surprisingly recoverable by slowly releasing the excessive charges in ZnO. Particularly, PBDBPBI-Cl solar cells exhibit excellent thermal stability without showing an obvious decrease for almost 3000 hours at 90 oC in the dark.

Abstract

OPV hat in wenigen Jahren erhebliche Fortschritte gemacht und Wirkungsgrade von bis zu 18,2 % erreicht. Für eine großflächige Anwendung sollte das magische Dreieck aus Effizienz, Kosten und Stabilität gleichzeitig erfüllt werden. Jedoch leiden die meisten der aktiven Bulk-Heterojunction-(BHJ)-Schichten unter einer starken Phasentrennung, insbesondere unter Wärmebelastung, die durch das thermodynamisch instabile Gleichgewicht verursacht wird. Daher muss das Stabilitätsproblem für die industrielle Anwendung unbedingt gelöst werden. Einkomponentenmaterialien (SCMs), die sowohl Donator- als auch Akzeptor Einheiten innerhalb eines Moleküls oder Polymers enthalten, könnten die Exzitonenerzeugung, Ladungsdissoziation und den Transport von selbst realisieren. Diese kovalent gebundenen chemische Strukturen verleihen SCMs eine intrinsische Morphologiestabilität, die SCMs resistent gegen die langsame Bewegung von Donatoreren und Akzeptoreren. Dadurch sind die SCMs stabil gegen Phasentrennungen. Aufgrund der langsamen Entwicklung von SCMs wurde die Stabilität von SCMs jedoch wenig untersucht, obwohl die Motivation für die Entwicklung von SCMs darin besteht, die morphologische Instabilität bei BHJ Solarzellen zu lösen. In dieser Dissertation wurden zum ersten Mal eine Reihe von SCMs systematisch auf ihre Photophysik und Stabilität untersucht, um die zugrunde liegenden spezifischen Vorgänge in SCMs im Vergleich zu BHJ zu verstehen. Insbesondere wurde die Stabilität von SCMs unter verschiedenen Bedingungen charakterisiert, z. B. unter thermischer Belastung, oder auch Beleuchtung. Ultrahohe Stabilität unter konzentriertem Licht oder bei hohen Temperaturen wurden für SCMs zum ersten Mal erreicht, indem man Degradationsfaktoren wie z. B. instabile Grenzflächen oder Elektroden identifiziert hat. SCMs mit hoher intrinsischer Stabilität werden dadurch in dieser Arbeit demonstriert. Im ersten Teil dieser Arbeit wird ein PBDBPBI-Cl Doppelkabel-Polymer der neuesten Generation verwendet und dessen zugrunde liegenden photophysikalischen Prozesse untersucht, um die Effizienzlimitierung von SCMs zu beleuchten. Von stationären und transienten Charakterisierungen auf verschiedenen Zeitskalen, zum Beispiel Ladungserzeugung im fs-ps Bereich, oder Ladungsrekombinationsprozessen im ns-μs Bereich wurde der Einfluss der Nachbehandlung auf die Effizienz der Ladungsdissoziation und Rekombinationsdynamik untersucht. Durch thermisches Tempern der photoaktiven Schicht bei 230 oC wird eine vielversprechende Photovoltaikleistung erreicht, die auf effiziente Ladungserzeugung und unterdrückte Rekombination zurückzuführen ist. Der zweite Teil dieser Dissertation konzentriert sich auf eine Reihe von SCMs (Dyaden), die Fullerene als Akzeptoreinheit und Oligomere als Donatoreneinheit verwenden. Dyad1 mit der kürzesten Spacer-Länge zwischen Donator- und Akzeptor-Einheit zeigt die höchste Effizienz nach einer Lösungsmitteldampf-Annealing-Behandlung. Wegen der stärkeren Rückhaltewirkung zeigt Dyad1 eine höhere Stabilität als Dyad2 und Dyad3 sowohl bei thermischer Belastung als auch unter Beleuchtung. Wie erwartet zeigen Dyaden eine deutlich bessere Stabilität als vergleichbare Bulk-Heterojunction-Solarzellen. Solarzellen mit normaler Struktur weisen eine schlechtere Stabilität auf als solche mit invertierter Struktur, was auf die Instabilität von den Grenzschichten hindeutet. Durch die Verwendung einer invertierten Struktur zeigt Dyad1 eine ausgezeichnete Stabilität bei Lichtbeleuchtung, wobei nach 1400 Stunden Beleuchtung mit einer Lichtintensität von einer Sonne keine Leistungsabnahme stattfindet. Darüber hinaus bleibt unter hochkonzentriertem Licht (7,5 Sonnen) nach 1250 Stunden Test immer noch eine Effizienz von 98% erhalten, was zu den höchsten Lichtstabilitätsleistungen unter Beleuchtung zählt. Der dritte Teil dieser Dissertation basiert auf einem Doppelkabel-Polymer SCP3 mit DPP- und BDT-Einheiten als Donator-Rückgrat und PBI als Akzeptor-Einheit. Seine Stabilität sowohl unter thermischer Belastung als auch unter Beleuchtung ist detailliert erforscht. Durch das Hinzufügen einer modifizierenden Schicht zwischen Grenzflächen- und aktiven Schichten und die Wahl einer kompatibleren Elektrode weisen SCP3-Solarzellen mit invertierter Struktur eine ausgezeichnete Stabilität auf. Konkret gibt es während eines Alterungstest unter 90 °C und einen zweiteiligen Test unter 1 Sonne und 90 °C für 300 Stunden keinen Leistungsabfall. Die Ladungserzeugungs-, Ladungstransport- und Rekombinationseigenschaften der Bauelemente werden untersucht und nach der Alterung tritt keine offensichtliche Änderung auf. Insbesondere SCP3-basierte Solarzellen zeigen eine extrem hohe Stabilität unter thermischer Belastung, weisen einen vergleichbaren Temperaturkoeffizienten wie anorganische Solarzellen auf und behalten auch nach einer thermischen Alterung bei 160 oC über 400 Stunden einen Wirkungsgrad von 100 %. Im vierten Teil dieser Arbeit wurde das Doppelkabel-Polymer PBDBPBI-Cl hinsichtlich der Bauelementphysik und des Stabilitätsverhaltens untersucht. Zur Charakterisierung des Rekombinationsverhaltens werden mehrere Messungen wie TPV, CE, Photo-CELIV durchgeführt. Darüber hinaus werden detaillierte Verlustmechanismen in Bezug auf JSC, VOC und FF berechnet, die die Verbesserung im Vergleich zu SCMs der früheren Generation und andererseits ihren Abstand zu hoher Effizienz aufzeigen. Darüber hinaus wurde auch die Lichtstabilität gemessen und 93% PCE verbleiben nach 300 Stunden Alterung. Das Ergebnis ist deutlich verbessert im Vergleich zu dem entsprechenden BHJ, der eine starke Burn-in-Degradation zeigen. Insbesondere PBDBPBI-Cl-Solarzellen, die eine invertierte Struktur mit ZnO als ETL verwenden, zeigen eine reversible Degradation bei UV-Licht, die durch den Photo-Shunt-Effekt von ZnO bei einer Überdosierung von UV-Licht verursacht wird. Andererseits ist diese Abnahme überraschenderweise durch langsames Freisetzen der überschüssigen Ladungen in ZnO reversibel. Insbesondere PBDBPBI-Cl-Solarzellen weisen eine ausgezeichnete thermische Stabilität auf, ohne eine offensichtliche Abnahme der PCE bei fast 3000 Stunden und 90 °C im Dunkel.

DOI
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