Light soaking issue physics, characterization and alternatives in iOPV devices

The state of the art of the Organic Photovoltaic employs an Electron Transport Layer (ETL) as well as a Hole Transport Layer (HTL), those layers are coupled with the active material to facilitate the transport of the separated charges towards the respective electrodes. As can be imagined those components of the final structure are necessary for the device efficiency but nevertheless are responsible for the stability of the cell, as well as the active material, with their specific behaviours and degradation mechanisms once exposed to air, moisture and light. One cathodic side specific and most detrimental stability problem is the so called Light Soaking issue (more specifically UV Light Soaking, UV-LS); the term is referred to the need of a UV exposure of the device to allow recovery of efficiency and a proper J-V characteristic. In the lack of such a procedure inverted organic photovoltaic (iOPV) devices present so called S-shape and the almost total loss of photovoltaic behaviour; this loss typically happens in few hours jeopardizing the indoor application of those kind of devices. The literature point at the most commonly used ETL material class as responsible for this phenomenon: metal oxides nanoparticles (MO NPs) layers from low-temperature processing. Purpose of this work is to study the UV LS effects on iOPV devices utilizing a range of commercial available metal compounds as ETL, characterizing the cells imposing different atmosphere (N2 and air), lights (illumination intensity variation) and UV supply (dose and wavelength) and finally trying to improve the interlayer and device stability performance.

Le celle fotovoltaiche organiche (OPV), allo stato dell’arte, utilizzano un Electron Transport Layer (ETL) ed un Hole Transport Layer (HTL), accoppiati con il materiale attivo per agevolare il trasporto delle cariche verso i rispettivi elettrodi. Come è facilmente presumibile questi due componenti della struttura finale sono necessari per migliorare l’efficienza del dispositivo ma allo stesso tempo sono responsabili della stabilità, insieme al materiale attivo, con le loro caratteristiche e i meccanismi di deterioramento innescati durante il funzionamento, con l’esposizione a luce, aria e umidità. Tra le complicazioni legate al deperimento delle prestazioni vi è un meccanismo associato al’ETL e al catodo dei dispositivi noto come Light Soaking issue (o più nello specifico UV-LS issue); la terminologia usata è dovuta alla necessità di esporre i dispositivi fotovoltaici alla luce UV per migliorarne le prestazioni in termini di efficienza e corretta forma della curva corrente-tensione (J-V characteristic). La mancata esposizione dei dispositivi OPV a luce ultravioletta causa il fenomeno chiamato S-shape e il deterioramento delle prestazioni fino alla perdita della loro capacità di agire come dispositivi fotovoltaici. Questo deterioramento avviene in poche ore compromettendo l’utilizzo in ambienti chiusi, con illuminazione artificiale dei dispositivi OPV. La letteratura associa il fenomeno del LS alla presenza di una classe di materiali molto usata come ETL nei dispositivi OPV: le nanoparticelle di ossidi di metalli di transizione processati a basse temperature. Scopo di questa trattazione è l’analisi dell’UV-LS issue in dispositivi OPV che utilizzano diversi composti metallici, disponibili in commercio, come ETL; le celle fotovoltaiche per la caratterizzazione verranno sottoposte a differenti composizioni ambientali (ossigeno, aria, azoto), condizioni di illuminazione e dosi di luce UV per valutare e migliorare l’impatto di diversi ETL sulla stabilità e l’efficienza dei dispositivi.