Double resonant character in an optical cavity for high performance and stable polymer solar cells

Abstract

Solution-processed thin film solar cells emerged as very promising photovoltaic technologies suitable for a low cost roll-to-roll upscale production. Such thin film character also ensures lightweight and flexibility for the solar cell modules, making them ideal for a wide variety of applications where silicon panels cannot be used. In addition to the above-mentioned advantages, common in all solution-processed thin film technologies, polymer solar cells (PSCs) have a unique semitransparency, which makes them very useful for solar window applications and very competitive in building integrated photovoltaics.

In recent years, a remarkable progress has been achieved in the field of PSCs. The power conversion efficiency of PSCs has already surpassed the 11% barrier. However, to be able to eventually compete with other solution-processed thin film technologies, such device efficiency must be further improved. Given the low charge carrier mobility in commonly used organic p-conjugated semiconductors, the tradeoff between optical absorption and charge collection, limits the thickness of the majority of photoactive layers currently being used to approximately 100 nm. To overcome the limited light absorption in such thin active layers, an adequate optical management becomes very important. Ideally, a light absorption or short-circuit current enhancement should be achieved without affecting the other photovoltaic parameters, such as the photovoltaic device open circuit voltage and fill factor.

In this thesis, we implement a one-dimensional new optical planar cavity that exhibits a resonant character at two different nonharmonic frequencies of each other, which we named two-resonance tapping cavity (TRTC). With such TRTC we demonstrate that one may reach an optimal broadband light trapping in thin film cells, largely improving the photocurrent of the solar without sacrificing the device electrical properties.

A limited stability is another obstacle that may prevent any industrial application of the PSC technology. In accordance, in parallel to a device efficiency increase one must address the problem of a short operational device lifetime. In the current thesis, we performed several experiments, which lead us to understand the physics behind the rapid destruction of the active layer nanomorphology under illumination. In addition, we propose and implement a new procedure based on the formation of a highly ordered PCBM phase to circumvent such degradation path, and achieve high-performance PSCs with long lifetimes.

The current thesis has been divided into five chapters. Chapter 1 briefly reviews some photon management approaches and some basics of degradation mechanisms in PSCs. Chapter 2 describes the TRTC concept and the experimental implementation of PTB7-Th:PC71BM cells integrated in such TRTC. In Chapter 3 we describe the use of the TRTC concept presented in Chapter 2 to achieve an optimal balance between open circuit voltage and photocurrent in flexible PBDBT:ITIC cells. In Chapter 4 we demonstrate an approach to increase the operational lifetimes of PSCs based on a UV treatment to actively remove chemisorbed oxygen on the ZnO interlayer. Finally, in Chapter 5, an in-depth study of the fast burn-in loss for PTB7-Th:PC71BM cells is given, and a new explanation to the such degradation path is proposed. In addition, we propose and implement an approach to circumvent such degradation and achieve long lifetime high efficiency solar cells.

Las celdas solares de capa fina procesadas por métodos en solución surgieron como una interesante tecnología fotovoltaica para una producción roll-to-roll a bajo coste. El carácter de película delgada también asegura el bajo peso y la flexibilidad de los módulos solares, haciéndolos ideales para una gran variedad de aplicaciones donde los paneles de silicio no pueden ser usados. Además de las ventajas mencionadas, compartidas por todas las tecnologías de capa fina procesadas en solución, las celdas solares de polímero (PSCs) presentan propiedades únicas de semi-transparencia, lo que las hace útiles para aplicaciones en ventanas solares y muy competitivas como elementos integrados en edificios. En los últimos años, se ha logrado un progreso notable en el campo de las PSCs. La eficiencia de conversión de energía de las PSCs ha superado ya la barrera del 11%. Sin embargo, para poder competir finalmente con otras tecnologías de capa delgada procesadas en solución, la eficiencia del dispositivo debe mejorarse aún más. Debido a la baja movilidad de los portadores de carga para los típicos semiconductores orgánicos p-conjugados, el compromiso entre absorción óptica y recolección de carga limita el espesor de la mayoría de las capas fotoactivas que se utilizan actualmente a aproximadamente 100 nm. Para mejorar la limitada absorción de luz en dichas capas activas, el uso de estrategias ópticas adecuadas es muy relevante. Idealmente, se debería lograr un aumento de la absorción de la luz o de la corriente a cortocircuito sin afectar a los demás parámetros fotovoltaicos, tales como el voltaje a circuito abierto y el factor de llenado del dispositivo fotovoltaico. En esta tesis, incorporamos una nueva cavidad óptica planar unidimensional que presenta un carácter resonante en dos frecuencias no armónicas diferentes, y que llamamos two-resonance tapping cavity (TRTC). Con la TRTC demostramos que puede alcanzarse una captura óptima de la luz en celdas de capa fina sobre un amplio rango de longitudes de onda, mejorando en gran medida la fotocorriente sin sacrificar las propiedades eléctricas del dispositivo solar. La falta de estabilidad es otro obstáculo que puede prevenir la aplicación industrial de la tecnología de PSCs. De esta manera, en paralelo a un aumento de la eficiencia del dispositivo, se debe abordar el problema de su corta vida operativa. En esta tesis, llevamos a cabo varios experimentos para entender la física que determina el rápido deterioro de la nano-morfología de la capa activa en condiciones de iluminación. Además, proponemos e implementamos un nuevo procedimiento basado en la formación de una fase de PCBM altamente ordenada para eludir la vía de degradación y conseguir PSCs de alto rendimiento con una vida útil extendida. La tesis se ha dividido en cinco capítulos. El Capítulo 1 revisa brevemente algunas de las estrategias para la manipulación de fotones y las bases de los mecanismos de degradación en PSCs. El Capítulo 2 describe el concepto de TRTC y la implementación experimental de celdas de PTB7-Th: PC71BM incluyendo la TRTC. En el Capítulo 3 describimos el uso del concepto TRTC presentado en el Capítulo 2 para conseguir un balance óptimo entre voltaje a circuito abierto y fotocorriente en celdas flexibles de PBDBT: ITIC. En el Capítulo 4 demostramos una estrategia para mejorar la vida operativa de los PSCs basado en un tratamiento con luz UV para eliminar activamente el oxígeno quimisorbido en la capa de ZnO. Finalmente, en el Capítulo 5, se presenta un estudio en profundidad de la fast burn-in loss para las celdas de PTB7-Th:PC71BM, y se propone una nueva explicación de la ruta de degradación. Además, proponemos e implementamos una alternativa para evitar la degradación y conseguir celdas solares de alta eficiencia con una larga vida útil.