Enhanced Performance of Inverted Polymer Solar Cells Using Poly(N-isopropylacrylamide-co-methacrylic acid) as Electron Extracting Layer

Abstract

Zinc oxide (ZnO) layer is a key component in inverted organic solar cells as electron extracting layer. However, it contains electron trap states which decrease electron extraction efficiency and in turn reduce photovoltaic performance. In this study, we report the photovoltaic properties of inverted solar cells from an average power conversion efficiency of 7.59% to 8.14% by using 3-5 nm thick Poly(N-isopropylacrylamide-co-methacrylic acid) (H-PNIPAM) on top of the ZnO layer. The H-PNIPAM film thicknesses were carefully controlled by spin-coating different concentrations of H-PNIPAM solutions. X-ray photoelectron spectroscopy and Atomic force microscopy revealed a uniformly-coated H-PNIPAM layer as a function of the solution concentration. Photoluminescence spectra reflected that this layer decreased the ZnO trap sites. Contact angle measurements exhibited that this layer modified the ZnO surface more hydrophobic, resulting in a good contact with PTB7-Th:PC71BM photoactive films. At the same time, this treatment could reduce the work function of the ZnO layer from 3.32 to 3.02 eV. Moreover, electron mobility measurements indicated that the use of the H-PNIPAM layer increased electron mobility. Furthermore, the use of the H-PNIPAM layer maintained the initial performance over a long period (>3,000 h). Conclusively, this work demonstrates that all the features of the H-PNIPAM are beneficial to the photovoltaic property of inverted organic solar cells. ;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 Poly(N-isopropylacrylamide-co-methacrylic acid) (H-PNIPAM) 이라는 새로운 전자 수송층을 사용하여 평균 효율을 7.59%에서 8.14%가지 상승시키는 연구를 진행하였다. ZnO 위에 H-PNIPAM을 0.00, 0.03, 0.05, 0.10 mg/mL 의 농도로 코팅해주었으며 Atomic force microscopy를 통해서 H-PNIPAM이 표면의 거칠기에 영향을 미치지 않는다는 것을 확인하였다. 접촉각 측정 결과 ZnO 표면이 좀 더 소수성에 가까워지는 것을 볼 수 있었는데 그렇기에 H-PNIPAM은 광활성층이 더 잘 접촉되도록 하는 역할을 할 것이다. Photoluminescence 의 결과로 ZnO의 트랩이 감소되는 것을 확인 할 수 있었다. 또한 H-PNIPAM의 코팅으로 전자 이동도가 증가하였고 실제 ZnO의 일함수가 3.32에서 3.02 eV으로 감소하였다. 소자의 안정성을 측정해보았는데 3000시간 이상까지 소자의 효율이 안정적으로 유지되었다. 즉, H-PNIPAM은 역구조형 태양전지에서 ZnO와 함께 사용함으로 효율상승을 가져오고 안정성측면에서도 좋은 작용을 하였다.