Efficient and Stable Organic Solar Cells Prepared by Sequential Deposition of Low Band gap Polymer and Non fullerene Acceptor

Abstract

The development of organic solar cells (OSCs) based on Non-fullerene acceptor (NFA) has led to a rapid improvement in efficiency. The most of development was conducted with the blend solution deposition (BSD) method. However, the stability issues still remain and should be resolved. In this study, in order to overcome the instability of BSD devices based on NFA, the Sequential solution deposition (SqD) method was introduced using polymer PBDB-T-2F and acceptor Y6 in which an acceptor and a donor solution were sequentially and independently deposited. We confirmed that the SqD device showed more enhanced crystallinity and ordering in the acceptor and donor layer compared to the BSD device. After applying thermal stress at 80℃ for 140 hours, we clarified that the SqD device exhibited more superior thermal stability than the BSD device. The SqD device maintained its initial efficiency up to 93.6%, whereas the BSD device was 66.4%. For the aged SqD devices, there were little changes in conformation of polymer, indicating superior morphological stability. This is expected because the ordered polymer structure in the SqD device prevented further mixing with the acceptor. Whereas, the BSD structure showed distinct morphological changes showing decreased crystallinity of the polymer under thermal stress. This implies that intermixing between the polymer and an acceptor was be accelerated under thermal stress due to similar planar molecular structures between two components. Additionally, p-i-n structure of the SqD device with higher crystallinity increased charge mobilities. We confirmed that introduction of SqD method realized the effective structure for charge transportation, resulting in higher efficiency of 13.20% than the BSD. By approaching the morphological part to solve the instability of BSD based on NFA, we could successfully identify the reason of degradation of OSCs. Finally, we could control the morphology, resulting the superior thermal stability by introducing the SqD method.;본 연구에서는, Blend solution depostiton (BSD)의 안정성을 보완하기 위해, 전자 받개와 전자 주개 용액을 따로 제작하여 적층하는 Sequential solution deposition (SqD) 방식을 유기태양전지에 도입하였다. 공액고분자 PBDB-T-2F와 non-fullerene acceptor (NFA) Y6를 사용하여 SqD 및 BSD 소자를 제작하고, 소자에 80 ℃ 열적 스트레스를 가하여 안정성 실험을 수행하였다. 그 결과, SqD 소자에서 보다 높은 열적 안정성을 나타냈다. PL, UV-Vis, GIWAXs의 측정을 통해 제작 방법에 따른 광활성층 구조를 분석했다. SqD 방식의 경우, 소자의 전자 받개와 전자 주개 층에서 더욱 향상된 결정 구조와 배열을 보임을 확인하였다. Micro-Raman의 측정을 통해 열적 조건에서의 분자 형태를 분석했다. 열적 스트레스를 가한 SqD 소자는 초기 소자에 비해 거의 변화없이 정렬된 모폴로지를 유지했다. 이는 높은 결정성을 갖는 공액 고분자 층이 전자 받개의 확산을 막아 모폴로지의 안정성을 갖추게 된 것으로 보인다. 반면에, BSD 구조는 전자주개와의 혼합이 열 조건 하에서 가속화됨에 따라 고분자의 결정도가 감소하며, 비교적 큰 모폴로지의 변화를 나타냈다. 게다가, SqD 소자의 광활성층 내부에서 NFA의 높은 결정성와 수직 농도 구배를 확인하였는데, 이로 인해 효율적인 전하 수송이 증가하였고, BSD 소자보다 높은 전력 변환 효율 (PCE :13.20 %) 를 보였다. NFA를 기반으로 한 유기태양전지의의 급속한 안정성 저하 요인을 모폴로지로부터 확인하였다. SqD의 도입이 보다 효율적이고 안정적인 모폴로지를 보여줌으로써, 안정성 문제의 해결책으로서 가능성을 확인하였다.