Fullerene-free organic photovoltaic devices for indoor and outdoor applications

The organic solar cells (OSCs) world is based on the use of a blend made by a donor (D) and an acceptor (A) materials, that mixed together form the bulk-heterojunction (BHJ), able to collect the light needed to form electron-hole pairs, necessary for the current generation. The typical BHJ materials employed are the poly(3-hexylthiophene) (P3HT), as donor, and fullerenes as acceptors. Fullerene derivatives have some drawbacks, related to their weak absorption, high cost, limited energy levels variability, that limit the development in OSCs. The thesis work carried out, is based on the idea that even by employing non-fullerene small molecules as acceptors, good performance can be obtained. In particular, devices based on binary (D:A1; D:A2) and ternary (D:A1:A2) BHJ have been prepared and tested under both indoor(500LUX) and outdoor(1Sun) illumination. For the ternary devices efficiencies of 8.1% and 1.43% under respectively indoor and outdoor illumination has been demonstrated.

Il mondo delle celle solari organiche si basa sull'utilizzo di una miscela composta da un materiale donatore (D) e da un materiale accettore (A), che miscelati insieme formano l’eterogiunzione diffusa, in grado di raccogliere la luce necessaria per formare coppie elettrone-lacuna, necessarie per la generazione attuale. I materiali tipicamente utilizzati per l’eterogiunzione sono il poli(3- hexylthiophene) (P3HT), come donatore, e i fullereni come accettore. I fullereni presentano alcuni inconvenienti, legati al loro debole assorbimento, al costo elevato e alla limitata variabilità dei livelli energetici, che limitano lo sviluppo delle celle organiche. Il lavoro di tesi svolto, si basa sull'idea che anche impiegando piccole molecole di non-fullereni come accettori, si possono ottenere buone prestazioni. In particolare, i dispositivi con eterogiunzione binaria (D:A1; D:A2) e ternaria (D:A1:A2) sono stati preparati e testati sia con illuminazione interna (500LUX) che con illuminazione esterna (1Sun). Per i dispositivi ternari sono state dimostrate efficienze dell'8,1% e dell'1,43%, rispettivamente per l'illuminazione interna ed esterna.