Binary to Ternary Blends: Efficient and Stable Organic Solar Cells for Versatile Applications

Abstract

Els dispositius d'alta eficiència i estables juntament amb la producció de baix cost són els requisits previs clau perquè la tecnologia fotovoltaica orgànica entri en el mercat nínxol. L'enfocament ternari i l'enginyeria de la interfície de contactes s'han informat com les estratègies efectives per superar les principals limitacions de rendiment i estabilitat que es troben a les cèl·lules solars orgàniques. Tanmateix, a causa de la infinitat d'opcions de tercers components i materials de capa tampó amb propietats físiques i químiques variades, una selecció de materials acertada que coincideixi amb determinades aplicacions segueix sent un repte. En aquesta tesi, hem combinat l'enginyeria interfacial i les estratègies ternàries per millorar el rendiment del dispositiu i l'estabilitat de les cèl·lules solars orgàniques per a aplicacions versàtils, com ara dispositius interiors i semitransparents. En primer lloc, es va estudiar comparativament una enginyeria d'interfície de càtode que utilitzava tres diferents materials de capes de transport d'electrons sota 1 sol i il·luminació LED interior per obtenir un dispositiu basat en fullerene binari fotoestable i d'alta eficiència per a aplicació interior. Aleshores, per a l'aplicació tradicional a l'exterior, s'ha emprat l'estratègia ternària afegint les noves metaloftalocianines fluoradas MPcF48 i ITIC-M o PC70BM comercials com a tercers components en barreges binàries basades en fullerè i binàries no basades en fullerè, respectivament, per millorar l'eficiència del dispositiu i estabilitat. No obstant això, l'estratègia ternària que utilitza els acceptors no fullerè de la sèrie Y d'última generació es pot aplicar per obtenir un dispositiu no fullerè semitransparent eficient i estable. Per últim, s'ha introduït una combinació de tècniques de freqüència i resolució temporal per estudiar en profunditat la degradació de la vida útil de les cèl·lules solars orgàniques d'acord amb el protocol ISOS-D1.

Los dispositivos estables y de alta eficiencia junto con la producción de bajo coste son los requisitos previos clave para que la tecnología fotovoltaica orgánica ingrese a un nicho de mercado. Se ha informado que la ingeniería de interfaz de contacto y enfoque ternario son estrategias efectivas para superar las principales limitaciones de rendimiento y estabilidad que se encuentran en las células solares orgánicas. Sin embargo, debido a la miríada de opciones de terceros componentes y materiales de la capa amortiguadora con diversas propiedades físicas y químicas, una selección juiciosa de materiales que coincidan con ciertas aplicaciones sigue siendo un desafío. En esta tesis, combinamos la ingeniería interfacial y las estrategias ternarias para mejorar el rendimiento del dispositivo y la estabilidad de las células solares orgánicas para aplicaciones versátiles, como dispositivos de interior y semitransparentes. En primer lugar, se estudió comparativamente una ingeniería de interfaz de cátodo utilizando tres diferentes materiales de capas de transporte de electrones bajo 1 sol e iluminación LED interior para obtener un dispositivo basado en fullereno binario fotoestable y de alta eficiencia para aplicaciones en interiores. Luego, para la aplicación tradicional en el exterior, hemos empleado la estrategia ternaria agregando las novedosas metaloftalocianinas fluoradas MPcF48 y el comercial ITIC-M o PC70BM como terceros componentes en mezclas binarias basadas en fullereno y binarias no basadas en fullereno, respectivamente, para mejorar la eficiencia del dispositivo y estabilidad. Sin embargo, la estrategia ternaria que utiliza los aceptores de nonfullereno de la serie Y de última generación se puede aplicar para obtener un dispositivo semitransparente eficiente y estable basado en nonfullereno. Por último, se ha introducido una frecuencia combinada y técnicas resueltas en el tiempo para estudiar en profundidad la degradación de la vida útil de almacenamiento de las células solares orgánicas de acuerdo con el protocolo ISOS-D1.

High efficiency and stable devices along with low-cost production are the key prerequisites for organic photovoltaics technology to enter niche market. Ternary approach and contacts interface engineering have been reported as the effective strategies to overcome the main performance and stability limitations encountered in organic solar cells. However, due to the myriad options of third components and buffer layer materials with varied physical and chemical properties, a judicious materials selection that matches with certain applications remains a challenge. In this thesis, we combined the interfacial engineering and ternary strategies to improve the device performance and stability of organic solar cells for versatile applications, such as indoor and semitransparent devices. First, a cathode interface engineering using three different electron transport layers materials was comparatively studied under 1 sun and indoor LED illuminations to obtain high efficiency and photostable binary fullerene-based device for indoor application. Then, for traditional outdoor application, we have employed the ternary strategy by adding the novel fluorinated metallophthalocyanines MPcF48 and commercial ITIC-M or PC70BM as third components in binary fullerene-based and binary nonfullerene-based blends, respectively, to improve the device efficiency and stability. Yet, the ternary strategy using the state-of-the-art Y-series nonfullerene acceptors can be applied to obtain efficient and stable semitransparent nonfullerene-based device. As last, we have introduced a combined frequency and time-resolved techniques to study in-depth the shelf lifetime degradation of organic solar cells in accordance with ISOS-D1 protocol.