Stability Study of Non-Fullerene Based Organic Solar Cells by Separating Light- and Thermal- Induced Degradation

Abstract

Organic solar cells (OSCs) are attracting attention for various applications. Among them, non-fullerene based OSCs are widely used because they have advantages of stronger light-harvesting ability, tunable electronic energy levels, and variable molecular design. However, non-fullerene based OSCs show poor stability under various illumination conditions including light soaking and heat. Therefore, it must be resolved for commercialization. In this thesis, conventional structure devices were made up of PTB7-Th: IEICO-4F non-fullerene based and PTB7-Th: PC71BM fullerene acceptor. In order to study the stability of non-fullerene based OSCs, the optimized OSCs were done during 50 hours long-term stability test by separating the light and heat. After 50 hours, the stability of devices was analyzed. As a result, it was confirmed that both light and heat have a great effect on the initial burn-in loss in the case of non-fullerene based devices. Besides, when compared to 80℃ and 20℃, as the temperature increases the effect of light was not constant and tended to be accelerated as well. On the other hand, fullerene based devices, showed a small effect of heat in the temperature range of 20℃ to 80℃ and the cause of the initial burn-in loss is mainly due to light. Also, when compared to 80℃ and 20℃, as the temperature increases the effect of light was almost constant. The causes of the initial burn-in loss can be divided into the bulk morphology change and the interfacial morphology change. First, the recombination values of the devices, before and after aging, were calculated. As a result, the trap-assisted recombination tends to increase in devices after 50 hours in each condition light and thermal, but it is too small to define that the change in bulk morphology is the cause of the initial burn-in loss. Next, impedance spectroscopy was performed to examine the interfacial morphology. Therefore, it was found that the semicircle of the low-frequency region corresponding to R2, which means the interfacial resistance, was greatly increased. The semicircle of the non-fullerene based devices was largely increased than the semicircle of the fullerene based devices. As a result, it was confirmed that the change of interfacial morphology was a major factor as the cause of the initial burn-in loss.;이 논문은 비퓰러렌 물질을 전자받개로 사용한 유기태양전지의 안정성을 분석한 내용으로 구성되어 있다. 비퓰러렌 전자받개는 강한 광수확 능력, 조절 가능한 전자 에너지 레벨 등의 장점이 있으나 안정성이 좋지 않다는 단점이 있다. 따라서 안정성은 향후 상용화 계획을 위해서라도 해결해야 하는 문제이다. 비퓰러렌 유기태양전지의 안정성을 연구하기 위해 각각 50시간동안 광적, 열적 요소를 분리하여 실험한 후 초기 번인 손실의 원인을 분석하였다. 그 결과 비퓰러렌 유기태양전지의 경우 초기 번인 손실에 열과 빛이 모두 크게 작용하는 것을 확인 할 수 있었다. 또한 80℃와 20℃를 비교하였을 때 온도가 증가함에 따라 빛의 영향이 일정하지 않고 같이 가속화되는 경향을 보였다. 반면에, 퓰러렌을 전자받개로 사용한 유기태양전지는 20℃에서 80℃까지의 온도 구간에서 열의 영향은 매우 적으며 초기 번인 손실의 원인은 주로 빛에 의한 것이다. 또한 퓰러렌의 경우에는 80℃와 20℃의 비교를 통해 이 구간의 온도에서는 빛의 영향이 가속화되는 경향은 거의 볼 수 없었고 일정하게 작용하는 것을 확인하였다. 초기 번인 손실의 원인을 광활성층 모폴로지 변화와 계면 모폴로지의 변화로 나눌 수 있다. 먼저 광활성층 모폴로지를 연구하기 위해 제작한 소자들의 재결합 값을 계산하였다. 그 결과 각 조건 빛, 열에서 50시간 뒤의 디바이스들에서 트랩 재결합이 증가하는 경향을 보이나 그 정도가 미미하기 때문에 광활성층 모폴로지의 변화가 초기 번인 손실의 원인이라고 규정하기는 어렵다. 그 다음으로는 계면 모폴로지를 살펴보고자 임피던스 분광 분석을 진행하였다. 그 결과 계면 저항을 의미하는 R2에 해당하는 낮은 주파수 영역대의 반원이 크게 증가하는 것을 얻을 수 있었고 이때 비퓰러렌 유기태양전지의 반원이 퓰러렌 유기태양전지의 반원보다 매우 크게 증가하는 것을 확인 하였다. 이를 통해 초기 번인 손실의 원인으로 계면 모폴로지의 변화가 큰 영향을 주는 요소임을 확인하였다.