Efficient and Thermally Stable Ternary Organic Photovoltaics Prepared by Sequential Deposition of Conjugated Polymer and Fullerene

Abstract

Binary organic photovoltaics (OPVs) fabricated by blended solution deposition (BSD) are widely utilized but the drawback in low stability is the main concern. To improve the OPV's performance, utilization of a ternary blend photoactive layer consists of one (or two) donor(s) and one (or two) acceptor(s) (Ternary-BSD) have been extensively studied. However, the Ternary-BSD requires more sensitive and complex optimization processes. We demonstrate a ternary OPV fabricated by sequential solution deposition (SqD) of a single polymer donor solution and a binary acceptors solution consisted of fullerene and non-fullerene (Ternary-SqD). In the Ternary-SqD, the non-fullerene acceptor, IEICO-4F, mainly enhanced the absorption and photovoltage, while the fullerene acceptor, PC71BM, effectively created a bi-continuous pathway for charge transport with polymer donor. Due to these complementary effects, the Ternary-SqD exhibited the power conversion efficiency of 11.33%, which was higher than Binary-BSD and the Ternary-BSD OPV. Besides, the thermal stability of the Ternary-SqD OPV was improved compared to Binary OPV and Ternary-BSD OPV due to smaller surface roughness and lower crystallinity, indicating the optimized morphology and better miscibility of donor and acceptor.;유기 태양 전지 연구에서 가장 이슈가 되는 안정성을 높일 수 있는 방법에 대한 연구를 진행하였습니다. 대부분의 유기 태양전지는 blend solution deposition 방식의 binary 구조가 많이 사용되고 있습니다. 그러나 제한적인 물질 구성으로 인해 제한적인 흡수가 일어나고 활성층 morphology의 control이 어렵기 때문에 효율과 안정성 면에서 제한된 값을 가지게 됩니다. 본 연구에서는 지금까지의 용액 공정의 제한적인 구성을 극복하기 위해 하나의 전자 주개 물질(donor)과 두 개의 전자 받개 물질(acceptor)을 사용하는 ternary 용액 공정 방법을 사용하였습니다. 또한, acceptor층과 donor층을 각각 최적화하여 고분자의 배열과 결정성을 제어할 수 있는 연속 용액 공정인 sequential deposition 방식을 사용하였습니다. 그 결과 두 물질을 사용한 acceptor층에서 fullerene물질이 flat한 구조의 non-fullerene 단분자 물질의 단점을 보완하며 전자의 이동성을 높여주었고, 단분자 물질은 장파장 영역까지 흡수하며 단락 전류의 값을 상승시켰습니다. 또한 sequential deposition방식으로 acceptor층과 donor층을 따로 제작하여 control 하기 어려웠던 두 층의 morphology를 각각 최적화시키며 500시간 동안 안정성 실험 결과 디바이스의 안정성을 2배 이상 향상시킬 수 있었습니다.