Thermally Stable Bulk-heterojunction Prepared by Sequential Deposition Utilizing a Quasi-orthogonal Solvent

Abstract

NFA(non-fullerene acceptor)를 기반으로 하는 유기 태양전지의 개발은 그 효율의 급격한 향상을 가져왔다. 그러나, 초기 단계에서 안정성이 급격하게 저하되는 burn-in 뿐만 아니라 전체적인 안정성 측면에서는 여전히 문제가 존재한다. 본 연구에서는 Sequential deposition(SqD)과 Quasi-orthogonal 용매를 사용하여 제작된 매우 안정적인 NFA 기반 OPV를 분석한다. Quasi-orthogonal 용매는 Dichloromethane(DCM)에 1-chloronaphthalene(1-CN)을 소량 첨가하여 제조된다. Y6(효율적인 NFA 중 하나)는 Quasi-orthogonal 용매에 용해되고, 아래의 PM6층을 파괴하지 않고 PM6층위에 순차적으로 증착된다. 1-CN을 넣어줌으로써 Quasi-orthogonal 용매의 증기압은 감소되고 Y6가 PM6의 비정질 도메인에 침투하여 효율적인 Bulk-Heterojuntion(BHJ)을 형성할 수 있게 한다. Quasi-orthogonal 용매와 SqD방식을 사용하여 제조된 BHJ는 기존의 Single-step deposition (SD)을 사용하여 제조된 것에 비해 더 많은 결정성 PM6 도메인을 갖는다. SqD 방식을 통해 제작된 OPV는 PCE가 14.1%로, 80℃에서 115시간 동안 열 처리한 후의 PCE 감소율이 21%에 불과한 반면, SD 방식을 통해 제작된 OPV는 같은 조건에서 32-36%의 감소율을 보였다.;The development of organic photovoltaic (OPV) devices based on non-fullerene acceptors (NFAs) has led to a rapid improvement in their efficiency. However, there are still problems in terms of stability, including burn-in, which degrades stability in the initial stage. In this study, a highly stable NFA-based OPV fabricated using sequential deposition (SqD) and a quasi-orthogonal solvent is demonstrated. The quasi-orthogonal solvent is prepared by adding a small amount of 1-chloronatphtalene (1-CN) to dichloromethane (DCM). The NFA Y6 (one of efficient NFAs) is then dissolved in the quasi-orthogonal solvent and sequentially deposited on a PM6 polymer-donor layer without destroying that layer. The incorporation of 1-CN reduces the vapor pressure of the quasi-orthogonal solvent and allows Y6 to penetrate the amorphous PM6 domain to form an efficient bulk heterojunction (BHJ). The BHJ prepared using the quasi-orthogonal solvent and SqD contains more crystalline PM6 domains compared to that prepared using conventional single-step deposition (SD). The SqD-processed OPV had a PCE of 14.1%, with a PCE reduction of only 21% after thermal annealing at 80℃ for 115 h, whereas the SD-processed OPV demonstrated a reduction of 32-36% under the same conditions.