Enhanced Thermal Stability in Organic Photovoltaics Using a Multi-Bridged Crosslinker

Abstract

Organic solar cells (OSCs), which are considered as a substitute for fossil fuels, have been intensively studied and have recently reported significantly improved power conversion efficiencies (PCEs). However, the long-term stability of OSCs remains to be enhanced for the commercialization of OSCs. In this work, we used a small molecule four bridged crosslinker (4Bx) to crosslink a PBDB-T:ITIC photoactive layer. Unlike the previously reported materials, the 4Bx can be easily synthesized and has four crosslinkable groups, which can produce an crosslinked photoactive layer even with small amounts. We added a small portion of 4Bx molecules into the photoactive layer and made the photoactive layer crosslinked through a UV curing process. After storing devices at 85 C for 2000 h, the PCE of the non-crosslinked devices decreased rapidly to 14% of the initial PCE, while the PCE of the crosslinked devices remained at 83% at maximum. Infrared spectroscopy (IR) data and charge mobility measurements revealed that the 4Bx molecule mainly affected the ITIC electron acceptor in the PBDB-T:ITIC photoactive layer. Overall, we demonstrate that the newly developed UV-curable 4Bx molecule can stabilize the morphology of the PBDB-T:ITIC photoactive layer in the OSC devices by crosslinking the ITIC electron acceptor, which improves the thermal stability of OSC devices significantly. ;화석 연료의 대체 물질로 여겨지는 유기태양전지는 많은 연구를 통해 광전변환효율이 크게 개선된 것으로 보고되고 있지만 상용화하기 위해서는 여전히 장기안정성을 향상시키기 위한 연구가 필요하다. 본 논문에서는 PBDB-T:ITIC 광 활성 층을 가교 결합시키기 위해 네 개의 작용기를 가진 가교제(4-Bridged Crosslinker, 4Bx)를 사용하였다. 이전에 보고된 물질들과는 달리, 4Bx 가교제는 합성과정이 간단하고 네 개의 아자이드기를 가지고 있어서 소량으로도 광 활성 층 물질들을 효율적으로 가교시킬 수 있다는 장점을 가지고 있다. 본 연구에서는 PBDB-T:ITIC 광 활성 층에 4Bx 가교제를 소량 첨가하고 자외선 경화 공정하여 소자를 가교 결합시켰다. 소자의 열안정성 측정은 85 ℃ 에서 2000시간 동안 이루어졌으며 가교시키지 않은 소자의 효율은 초기효율의 14%로 급격히 감소한 반면 가교 결합시킨 소자의 효율은 최대 83%를 유지하였다. 적외선 분광학 (IR) 및 전하 이동도 측정 결과에 따르면 4Bx 가교제는 PBDB-T:ITIC 광 활성 층에서 주로 ITIC 전자 수용체에 더 많은 영향을 미쳤다. 종합해 볼 때, 자외선으로 가교 결합 가능한 4Bx 가교제가 ITIC 전자 수용체를 주로 가교시킴으로써 PBDB-T:ITIC 광활성층의 모폴로지를 안정화시킬 수 있고 이로 인해 소자의 열적 안정성이 크게 향상되었음을 입증했다.