Study of triple bulk heterojunction organic solar cells

Organic materials offer an attractive opportunity for the development of organic photovoltaic cells that could support portable consumer electronics. With respect to the state of the art, organic photovoltaic cells (OPV) show low values of power conversion efficiency (PCE) not so attractive for industrial production. Different approaches to improve the PCE were reported in literatures, and one of these was by acting on the morphology of the mostly used active layer based on the binary blend of P3HT: PCBM, for example through the introduction of solvent additives and/or a third component. The addition of a third component could extend the absorption band of the binary cells, since the organic materials could cover the low-energy range of the solar spectrum. The use of ternary blend as the active layer has been also suggested as a practical method for controlling the morphology of the OPV layer. Considering the ternary organic solar cells progresses, a methodology for improving the PCE of organic solar cells made by photoactive layers of P3HT and PCBM of non-optimized microstructure is presented, through the introduction of a quinoidal small molecule 5,5’-bis-(3,5-di-tert-butyl-4-oxo- 2,5-cyclohexadiene-1-ylidene)-2,2’-dihydroxy bithiophene (QBT) as a third component. Based on a series of independent characterization experiments we address the QBT content dependent photophysical, electrical, thermal, structural and morphology-related properties of the ternary photovoltaic P3HT: PCBM: QBT system for elucidating the origin of the PCE improvement. An increase in efficiency around 47%, by adding only 0.6wt% of QBT, has been actually gained, while further additions are detrimental for the device performances. It was highlighted that in the P3HT: PCBM: QBT systems charge generation proceeds via three different excited state pathways that are consistent with the relative position of energy levels of the materials involved. The direct excitation of the P3HT component results in charge generation that is driven by electron transfer between the photoexcited P3HT and both the electron acceptors QBT and PCBM in the triple bulk heterojunction (BHJ). Then, the direct excitation of PCBM causes energy transfer from the photoexcited PCBM to QBT followed by a hole transfer process from QBT to P3HT. Moreover, the direct excitation of QBT, which is characterized by an absorption at the wavelength range of 700 nm, results in photocurrent generation via a photoinduced hole transfer from QBT to P3HT. The positive impact of these three vi Abstract excited state path ways on the production of photocurrent is confirmed by the EQE spectra of the ternary devices that show improved EQE values at the corresponding wavelength ranges. Then the effects of donor polymer molecular weight on ternary organic solar cells properties were investigated. Two sets of P3HT: PCBM: QBT system, which show P3HT characterized by different molecular weight, were studied by comparing the electrical properties, surface topography, film crystallinity and charge carriers mobility. The results turned out that with QBT as the third component, the h-P3HT (h: high molecular weight) matrix crystallinity was improved, assisting to an enhanced absorption, increased holes carriers mobility. As a comparison, QBT did not have positive effects on l-P3HT: PCBM: QBT (l: low molecular weight) properties, because the crystallinity level of l-P3HT matrix is already optimized. The microstructures of the active layer determines the triple bulk heterojunction devices performances. Furthermore, transient photocurrent and photovoltage setups, a technique to check the charge carriers extractions and recombination in the organic solar cells, were built in the laboratory. The applications on both ternary organic solar cells and PDI based solar cells were shown.

I materiali organici offrono prospettive interessanti per lo sviluppo di celle fotovoltaiche a base organica da sfruttare all’interno di dispositivi elettronici portatili. Allo stato dell’arte le celle fotovoltaiche organiche mostrano valori di efficienza al di sotto dei parametri richiesti per iniziare una produzione a livello industriale, ed è in tal proposito che sono stati seguiti svariati approcci per migliorarne le prestazioni. Tra le varie strategie si è agito anche sulla morfologia dello strato attivo più comunemente utilizzato basato sulla miscela binaria di P3HT e PCBM, utilizzando solventi additivi e/o addizionando una terza componente. L’addizione di una terza componente può inoltre determinare l’estensione dello spettro di assorbimento della miscela binaria, poiché i materiali organici possono essere caratterizzati da assorbimenti che coprono la regione a bassa energia dello spettro solare. L’utilizzo di miscele organiche tricomponente come strato attivo si è quindi dimostrato essere anche un ottimo metodo per controllare la morfologia delle celle fotovoltaiche organiche di terza generazione. In questo contesto è stato sviluppato un metodo per il miglioramento dell’efficienza delle celle solari a eterogiunzione dispersa basate sulla miscela binaria P3HT:PCBM, caratterizzata da una microstruttura non ottimizzata, mediante l’introduzione di una terza componente a base chinoide 5,5’-bis-(3,5-di-tert-butil-4-oxo-2,5-cycloesadiene-1-ilidene)-2,2’-diidrossi bitiofene chiamata QBT. Sono state eseguite degli esperimenti di caratterizzazione sulle proprietà foto-fisiche, elettriche, termiche, strutturali e morfologiche del sistema ternario P3HT:PCBM:QBT dipendenti dalla variazione della percentuale in peso della terza componente. Per queste celle solari a base ternaria contenenti esclusivamente uno 0.6% in peso di QBT, si è osservato un aumento dell’efficienza del 47%, mentre l’introduzione di quantitativi maggiori di terza componente hanno mostrato un effetto negativo sulle performance del dispositivo. La caratterizzazione delle celle fotovoltaiche a miscela ternaria P3HT:PCBM:QBT ha mostrato come il processo di generazione di carica segua tre differenti meccanismi coerenti con le posizioni relative dei livelli energetici delle tre componenti coinvolte. La diretta eccitazione del P3HT determina il trasferimento di un elettrone dal P3HT fotoeccitato alle componenti accettrici, ovvero il QBT e il PCBM. Differentemente, la diretta eccitazione del PCBM determina un trasferimento energetico dal PCBM al QBT seguito da un trasferimento di buca dal QBT a favore del P3HT. Infine la diretta fotoeccitazione del QBT, il quale è caratterizzato da un peculiare intenso assorbimento nella regione del rosso a 680 nm, risulta nella generazione di fotocorrente mediante un trasferimento di buche fotoindotto tra il QBT e il P3HT. L’effetto positivo di questi tre differenti meccanismi è confermato dagli spettri di efficienza quantica esterna (EQE) i quali mostrano come i valori di EQE aumentino in corrispondenza delle relative bande di assorbimento. Inoltre è stato studiato l’effetto sull’efficienza delle celle solari organiche a base ternaria correlato alla variazione di peso molecolare del polimero donatore P3HT. Conseguentemente sono stati analizzati due set di miscela ternaria P3HT:PCBM:QBT, caratterizzati da P3HT con differente peso molecolare, e sono stati messi a confronto le corrispondenti proprietà elettriche, topografia della superficie, cristallinità dello strato attivo e i valori di mobilità di carica. I risultati hanno evidenziato il polimero h-P3HT (h: elevato peso molecolare) mostri un’aumentata cristallinità della matrice determinando un aumento dell’assorbimento e aumentando la mobilità dei trasportatori di buche, grazie alla presenza dellla terza componente QBT. Parallelamente, lo studio eseguito sulla miscela ternaria contenente l-P3HT (l: basso peso molecolare) ha evidenziato come l’introduzione della terza componente QBT non abbia i medesimi effetti positivi come nel caso precedente, correlabile alla già elevata cristallinità che già caratterizza l-P3HT. Viene quindi confermato che la microstruttura dello strato attivo influenza le performance delle celle fotovoltaiche a eterogiunzione dispersa di terza generazione. Infine sono stati prodotti artigianalmente nel nostro laboratorio dei setup per la foto-corrente transiente e il foto-voltaggio, le quali sono tecniche utili per misurare l’estrazione e la ricombinazione dei portatori di carica all’interno delle celle fotovoltaiche organiche. Nel lavoro sono inoltre mostrate le applicazione sia sulle celle fotovoltaiche ternarie che sulle celle solari PDI.