Study on the stability of sequential solution processed low band gap polymer/fullerene organic photovoltaics

Abstract

Recently, Organic solar cells (OSC) based on poly[4,8-bis(5-(2-ethylhexyl)thiophen-2-yl)benzo[1,2-b:4,5-b]dithiophene-co-3-fluorothieno[3,4-b]thiophene-2-carboxylate] (PTB7-Th) have been reported for higher power conversion efficiency about 8-9 %. In addition to higher efficiency, to commercialize OSC for various field, improvement of stability for a long time should be achieved. In this study, PTB7-Th and [6,6]-phenyl C71 butyric acid methyl ester (PC71BM) was used as a photoactive material. PTB7-Th and PC71BM were prepared for 2 types of OSC fabrication. One is sequentially solution deposited (SqSD) to interdiffuse with PTB7-Th and PC71BM layer and the other is blended solution deposited (BSD) to form a large interfaces between PTB7-Th and PC71BM. Then, long term stability test was conducted for more than 700 hour in light soaking and thermal heat (80 ℃, w/o humidity), respectively. At light soaking stability test, SqSD maintained 57 % of initial efficiency whereas BSD kept only 38 % of initial efficiency. The dependence of Voc and Jsc on light intensity is explained that trap assisted recombination and bimolecular recombination was decreased in SqSD. Also, UV-vis spectrum which was nearly slightly reduced upon exposure time of light soaking showed that chemical degradation didn’t occur compared to the BSD. From the TEM images, more PCBM aggregation was observed in PTB7-Th BSD than PTB7-Th SqSD. These results supported that illuminated sequentially solution processed OSCs are proved to be clearly stable.;최근에 PTB7-Th 고분자를 기반으로 한 유기태양전지의 광전환효율이 약 9%에 가까운 높은 값을 보이는 것으로 나타났다. 하지만 이러한 고효율 이외에도 다양한 분야에서 유기태양전지의 상용화를 위해서는 오랜 기간 동안 안정성 향상에 관한 연구가 진행되어야 한다. 본 연구에서는 광활성층의 재료로 PTB7-Th와 PC71BM이 사용되었고 이들을 이용하여 2가지 방법의 유기태양전지가 제작되었다. 첫 번째 방법으로는 PTB7-Th와 PC71BM이 서로 혼합되도록 도와주는 복층 이종접합이고, 두 번째 방법으로는 광활성층에서 계면적을 크게 하도록 해주는 벌크 이종접합이다. 각각의 방법으로 유기태양전지 소자를 제작하여 약 700시간이 넘는 기간 동안 광침투장비와 습도가 없는 섭씨 80도의 장비에서 장기안정성 테스트가 진행되었다. 광침투장비 안정성 테스트를 통해 복층구조로 제작된 소자에서는 초기 효율의 57 %를 유지한 반면, 습도없는 섭씨 80도의 장비에서는 15 % 가 유지되었다. 빛의 세기에 따른 Voc 의존도에서는 복층구조의 소자에서 트랩 어시스티드 재결합과 이분자 재결합 정도가 낮음을 확인하였다. 또한, UV 흡수 스펙트럼에서는 복층구조로 제작된 소자가 장시간동안 광침투에 노출되어도 흡수 그래프가 거의 일정한 것으로 보아 화학적인 열화 현상이 거의 일어나지 않았음을 확인하였다. 그리고 풀러렌 응집현상이 덜 일어났음이 확인되었다. 따라서, 이러한 결과들을 통해 복층구조로 제작된 유기태양전지 소자는 빛에 의해 안정하고 상용화될 가능성이 높다는 것이 증명되었다.