Efficiency Improvement of Organic Solar Cells Using Zinc Diethyldithiocarbamate (ZDDC) as an Electron Transporting Layer

Abstract

In this work, we introduced a solution-processed zinc diethyldithiocarbamate (ZDDC) interlayer for use in inverted bulk heterojunction (BHJ) solar cells. Different three concentrations of solution-processed ZDDC (0.0, 0.6, and 0.9 wt%) on ZnO layer were used in solar cells. Organic solar cells (OSCs) are fabricated with blended active layers of poly[[4,8-bis[(2-ethylhexyl)oxy]benzo[1,2-b:4,5-b′]dithiophene-2,6-diyl][3-fluoro-2-[(2-ethylhexyl)carbonyl]thieno[3,4-b]thiophenediyl]]:[6,6]-phenyl-C71-butyric acid methyl-ester (PTB7-Th:PC71BM). Introduction of a ZDDC interlayer improved power conversion efficiency (PCE) of inverted PTB7-Th:PC71BM devices from 8.21% to 8.56%. 1-5 nm thick ZDDC on top of the ZnO layer. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) measured the elemental composition, empirical formula, and chemical state of ZDDC. Contact angle measurements exhibited that this layer modified the ZnO surface more hydrophobic, resulting in a good contact with PTB7-Th:PC71BM photoactive films. These results indicate that the film thickness of ETL effect on a high performance. The device with ZDDC shows a high power conversion efficiency (PCE) of 8.56% along with an open-circuit voltage (Voc) of 0.80 V, a short-circuit current (Jsc) of 15.50 mA/cm2, and a fill factor (FF) of 0.69.;본 논문에서는 ZnO는 다양한 장점을 가지고 있어 역구조형 태양전지에서 전자 수송층으로서 주로 사용되고 있지만 전자 추출 효과를 감소시키는 전자 트랩을 가지고 있어 소자의 성능을 저하시킨다. 본 논문에서는 역구조형 태양전지에서 ZnO층 위에 Zinc Diethyldithiocarbamate (ZDDC)이라는 새로운 전자 수송층을 사용하여 평균 효율을 8.21%에서 8.56%가지 상승시키는 연구를 진행하였다. ZnO 위에 ZDDC을 0.0, 0.3, 0.6, 0.9 wt% 의 농도로 코팅해주었으며 Atomic force microscopy를 통해서 ZDDC가 표면의 거칠기에 영향을 미치지 않는다는 것을 확인하였다. 접촉각 측정 결과 ZnO 표면이 좀 더 소수성에 가까워지는 것을 볼 수 있었는데 그렇기에 ZDDC은 광활성층이 더 잘 접촉되도록 하는 역할을 할 것이다. 또한 ZDDC의 코팅으로 ZDDC에 포함된 황(S)의 풍부한 전자가 ZnO에 존재하는 산소(O)의 defect를 일부 보완하였다는 것으로 생각할 수 있었다. 소자의 안정성을 측정해보았는데 600시간 이상까지 소자의 효율이 안정적으로 유지되었다. 즉, ZDDC는 역구조형 태양전지에서 ZnO와 함께 사용함으로 효율상승을 가져오고 안정성측면에서도 좋은 작용을 하였다.