Device engineering of solution processed inverted organic solar cell for perylene diimide based acceptor

There is an increasing interest on low cost alternative n-type materials for substituting the commonly used fullerene-type acceptors in organic photovoltaic (OPV) devices. One interesting class of non-fullerene electron accepting materials is the class of perylene diimide (PDI) derivatives. PDI derivatives are exhibiting a strong absorption in visible region, a high electron mobility and a very strong tendency to form columnar structures via π–π stacking of the PDI disks. A model bulk-heterojunction of a PDI derivative is fabricated to interrogate the role of PDI aggregates on the OPV device parameters. The positive effect of thermal annealing is assigned to the evolution of PDI aggregates in the amorphous poly(indenofluorene) (PIF) matrix. In situ Raman spectra and density functional theory calculations identify a marker for monitoring the strength of π–π stacking interactions between PDI monomers. The hierarchical organization in the photoactive layers and in extruded fibers of polymer:PDI is studied with fluorescence optical microscopy, atomic force microscopy, scanning electron microscopy, X-ray photoelectron spectroscopy and wide-angle X-ray scattering. The difference in the device performance of systems is attributed to the different microstructural motif of the composites. Structural order dictates i) the strength of electronic coupling between adjacent PDI molecules, ii) the stabilization of the PDI excimer state that influences the efficiency of quenching of the PDI excimer photoluminescence (PL), and iii) the efficient electron transport. XPS study explains why inverted-OPV devices of PDI-based polymeric blends perform better than conventional structure of OPV devices. A solution processed polymeric interlayer of Poly [9, 9-dioctylfluorene-co-N-[4-(3-methylpropyl)]-diphenylamine] (TFB) has been also utilized for i) reducing the dark current of the device ii) positively affecting the layer morphology for improving charge extraction and iii) maximizing the power conversion efficiency of the PIF:PDI system. On basis of optimized steps power conversion efficiency of 3.7% is achieved with monomeric PDI mixed with the low-band gap polymeric donor and a small amount of 1, 8-diiodooctane (DIO) additive. Space-charge limited dark current, intensity dependent and transient photovoltage measurements suggest that the use of the DIO component optimizes the electron/hole carrier mobility ratio and suppresses the non-geminate recombination losses. Further a low temperature dependent study of PDI photoluminescence clarifies the effect of energy transfer on the PDI excimer dissociation efficiency in PDI based blend film.

Vi è un crescente interesse sul alternativi materiali a basso costo di tipo n per sostituire gli accettori fullerene tipo comunemente utilizzati in dispositivi fotovoltaici organici (OPV). Una classe interessante di non fullerene elettroni accettazione materiali è la classe di perilene diimide (PDI) derivati. Derivati PDI espongono un forte assorbimento nella regione del visibile, una elevata mobilità di elettroni ed una forte tendenza a formare strutture colonnari tramite π-π stacking dei dischi PDI. Un modello bulk eterogiunzione di un derivato PDI è fabbricato per interrogare il ruolo di PDI aggregati sui parametri del dispositivo OPV. L'effetto positivo della ricottura termica viene assegnato alla evoluzione del PDI aggregati in poli amorfo (indenofluorene) (PIF) della matrice. In situ spettri Raman e densità calcoli teoria del funzionale identificare un marker per il monitoraggio della forza delle interazioni di stacking π-π tra monomeri PDI. L'organizzazione gerarchica negli strati fotoattivi in fibre estruse di polimero: PDI è studiato con microscopia a fluorescenza ottica, microscopia a forza atomica, microscopia elettronica a scansione, spettroscopia di fotoelettroni a raggi X e grandangolare X-ray scattering. La differenza nelle prestazioni del dispositivo di sistemi è attribuita al diverso motivo microstrutturale dei compositi. Ordine strutturale determina i) la forza di accoppiamento elettronico tra molecole adiacenti PDI, ii) la stabilizzazione dello stato eccimeri PDI che influenza l'efficienza di raffreddamento del eccimeri PDI fotoluminescenza (PL), e iii) il trasporto degli elettroni efficiente. Studio XPS spiega perché i dispositivi-OPV invertiti di miscele polimeriche a base di PDI prestazioni migliori rispetto struttura convenzionale dei dispositivi OPV. Una soluzione polimerica trasformati interstrato di Poly [9, 9-dioctylfluorene-co-N- [4- (3-metil)] - difenilammina] (TFB) è stata anche utilizzata per i) ridurre la corrente di buio del dispositivo ii) positivamente influenzare la morfologia strato per migliorare l'estrazione di carica e iii) massimizzare l'efficienza di conversione di potenza del PIF: sistema di PDI. Sulla base delle misure di potenza ottimizzata efficienza di conversione del 3,7% si ottiene con monomerica PDI mescolato con la bassa banda gap donatore polimerico ed una piccola quantità di 1, 8-diiodooctane (DIO) additiva. Carica spaziale limitata corrente di buio, intensità dipendenti e transitori misurazioni photovoltage suggeriscono che l'uso della componente DIO ottimizza il rapporto di mobilità vettore di elettroni / foro e sopprime le perdite di ricombinazione non geminate. Inoltre uno studio in funzione a bassa temperatura di PDI fotoluminescenza chiarisce l'effetto del trasferimento di energia sul PDI eccimeri efficienza dissociazione nel cinema miscela a base PDI.