Non-aqueous sol-gel synthesis and stabilization of zirconia nanoparticles to increase the permittivity of the photoactive layer in organic solar cells

In the last 10 years a great interested was replaced in the development of the organic solar cells to substitute the saturated silicon industry. One of the current issues of these devices is the low power conversion efficiency (PCE). A possible way to increase the PCE could be the increase of the permittivity in the photoactive layer to reduce the energy binding of the excitons leading their better dissociation. Our idea was to increase at the donor/acceptor interface the permittivity of the photoactive layer introducing zirconia nanoparticles with at diameter around 10 nm. The nanoparticle synthesises were conducted in a non-aqueous sol-gel way through the benzyl alcohol route using two different precursors Zirconium propoxide in propanol (C12H28O4Zr) and Zirconium(IV) tetrachloride (ZrCl4) and in one synthesis was carried out in presence of C12H28O4Zr and NaOH reducing the temperature of reaction. Even if all the synthetized nanoparticles presented size between 2-4 nm their stabilization at the primitive size was very difficult. All the nanoparticles belonging the ZrCl4 precursor formed large aggregates impossible to break down through mechanical and the chemical approaches. While the nanoparticles belonging the C12H28O4Zr were perfectly dissolved in HCl (0.1 M) and that one belonging the addition of NaOH were dissolved in acetic acid and 1,2-dicholorobenzene. In both cases the concentration of nanoparticles and the relative fraction of the solvent were assessed with the polymers solubility. The good mixtures were used to perform films via spin coating, and they were investigated by atomic force measurement. After this the first type of nanoparticles were introduced in the hole transport layer (HTL) of the devices leading a soft shift of the open voltage circuit (Voc) due to maybe an improvement of conductivity in it, while the second type were directly introduced in the photoactive layer leading a reduction of the Voc due to the pin hole effect.

Negli ultimi 10 anni grande interesse è stato rivolto nello sviluppo di celle solari organiche per sostituire il silicio, la cui industria è ormai satura. L’attuale problematica di questi dispositivi è la bassa efficienza. Un possibile modo per aumentarla potrebbe essere migliorare la permittività del film foto-attivo del dispositivo per ridurre l’energia di legame degli eccitoni migliorandone la dissociazione in cariche libere. La nostra idea era di aumentare la permittività all’interfaccia dei polimeri donatore/accettore introducendo nanoparticelle di zirconia con un diametro di circa 10 nm. La sintesi di nanoparticelle fu condotta in modo sol-gel non idrolitico con l’uso di alcool benzilico e di due diversi precursori zirconio propossido in propanolo (C12H28O4Zr) e tetracloruro di zirconio (IV) (ZrCl4) e in un caso in presenza C12H28O4Zr e NaOH riducendo la temperatura di reazione. Tutte le nanoparticelle ottenute dal precussore ZrCl4 formavano grandi aggregati impossibili da infrangere attraverso approcci meccanici e chimici. Mentre le nanoparticelle provenienti da C12H28O4Zr puro erano perfettamente disperse in HCl (0,1 M) e quelle ottenute dall’aggiunta di NaOH risultavano perfettamente disperse in acetico acido e 1,2-diclorobenzene. In entrambi i casi la concentrazione di nanoparticelle e la frazione relativa del solvente sono state valutate con la solubilità dei polimeri. Le buone miscele sono state usate per formare films attraverso spincoating e poi essere investigati mediante microscopio a forca atomica. Successivamente, sono stati preparati sia device in cui le NPs sono state introdotte nel layer di trasporto delle cariche positive, sia nel film fotoattivo. Nel primo caso è stato notato uno spostamento lieve del potenziale (Voc) dovuto forse a un miglioramento della conduttività in quel film, mentre il secondo caso è stata riscontrata una riduzione del Voc causato dall’effetto pin hole.