Efficiency and Stability Enhancement of Non-fullerene Acceptor Based Organic Solar Cells by Adopting Ternary Blend and Sequential Deposition Method

Abstract

Binary blend solution deposition (Binary BSD) is the dominant fabrication technique used in Organic Solar Cells. For the binary blend, non-fullerene acceptors are commonly used, due to their light-harvesting abilities, easily tunable energy levels and molecular design. However, non-fullerene acceptor-based Binary BSD devices need supplement in the absorption of the lower wavelength region, and they exhibit poor stability. In order to improve device performance a third component, PCBM was added to the donor: acceptor blend. However, Ternary blend solution deposition (Ternary-BSD) cells are difficult to optimize and are very sensitive to process conditions. Also, the limitation in the sheer amount of PCBM limits the enhancement in absorption. We introduce a Ternary sequential deposition (Ternary-SqD) technique to overcome these drawbacks of Binary-BSD and Ternary-BSD devices. The photoactive layer consists of two separate layers. A donor solution of PTB7-Th and a binary acceptor solution of non-fullerene IEICO-4F and fullerene PC71BM are sequentially deposited. In the Ternary-SqD device, PC71BM effectively decreased crystallization of PTB7-Th and IEICO-4F, leading to more efficient charge generation and transport. Also, it displayed highly enhanced light-harvesting ability in the lower wavelength region, resulting in improved PCE of 11.33%. Stability of the device was highly improved, compared to Binary-BSD and Ternary-BSD. The impedance spectroscopy result proves less recombination and enhanced charge transport in Ternary-SqD. The quasi-spherical shape of PCBM makes the transport of electrons less sensitive to subtle morphological changes, leading to enhanced stability.;한 개의 전자주개 물질과 한 개의 전자받개 물질을 혼합한 용액을 사용하는 binary blend solution deposition 기법은 유기 태양 전지 연구에서 가장 흔히 사용되는 광활성층 제작 기법이다. 특히 넌풀러렌 물질을 전자받개로 하는 경우 강한 광수확 능력, 쉽게 조절 가능한 에너지 단계, 그리고 고효율을 나타내는 등의 장점으로 인해 활발하게 사용되고 있다. 그러나 넌풀러렌 기반 Binary-BSD 디바이스는 안정성이 좋지 않으며 낮은 파장대에서의 광흡수가 부족하다는 단점이 있다. 이러한 단점을 극복하기 위해 풀러렌을 세 번째 광활성 물질로 도입하여, 세 가지 물질을 혼합한 용액을 광활성층으로 사용한 터너리 구조를 도입하였다. 그러나 Ternary BSD의 경우, 물질의 수가 증가하므로 최적화가 어렵고 사용 가능한 PCBM의 양이 제한되어 있어 광흡수에서 큰 이점이 없다. 이를 극복하기 위해 전자주개 물질 용액과 2개의 전자받개 물질을 혼합한 용액을 따로 제작하여 순차적으로 적층하는 Ternary sequential deposition 기법을 개발하였다. Ternary SqD 디바이스는 Binary BSD 와 Ternary BSD에 비해 매우 향상된 11.33%의 효율을 보인다. 여러 측정을 통해 PCBM이 PTB7-Th 와 IEICO-4F의 결정화를 완화시킴을 관찰했고, 이로 인해 원활해진 전하 발생과 이동으로 효율이 증가한 것으로 보인다. 또한, 안정화된 모폴로지의 형성으로 낮은 파장대에서 PCBM으로 인한 광흡수가 증가하였다. Ternary-SqD의 경우 열 안정성과 광안정성 또한 매우 높았다. 임피던스 측정 결과, Ternary-SqD에서 전하의 재결합이 덜 일어나며 전하 수송이 더 원활하게 일어남을 관찰하였다. 준구 형태의 풀러렌 입자가 등방성 전하 이동을 보이므로 열, 빛으로 인해 발생하는 모폴로지 변화에 덜 민감하게 반응하도록 하며, 더 나은 전하 이동 경로를 형성하므로 안정성이 증가한다고 할 수 있다.