Bulk Heterojunction Solar Cells based on modified-Polyethylenimine Ethoxylated Cathode Interfacial Layers

Abstract

저비용 고분자 전해질 polyethylenenimine 80 % ethoxylated (PEIE)는 유연한 유기 발광 다이오드 및 유기 태양 전지의 계면 개질 층으로서 널리 사용되어왔다. 그러나, PEIE는 금속 산화물에 비해 전하 이동이 더 낮다. 이 연구에서, 벌크 이종 접합 태양 전지의 소자 성능은 소수성 분자 스테아르 산을 사용하여 PEIE를 변형시킴으로써 현저하게 개선된다. 그 결과, stearic-acid 변성 PEIE (m-PEIE로) 장치는 강성 장치에 대해 9.84 % (FF 0.67, JSC 18.78 mA cm-2, VOC 0.79 V)의 향상된 전력 변환 효율 (PCE)을 달성했습니다. 플렉서블 디바이스의 경우 8.39 % (FF 0.66, JSC 16.65 mA cm-2, VOC 0.78 V). 한편 PEIE pristine 장치는 PCE는 8.45 % (FF 0.62, JSC 17.55 mA cm-2, VOC 0.77 V), 7.55 % (FF 0.64, JSC 15.53 mA cm-2, VOC 0.76 V)에 불과했습니다. ZnO 장치는 PCE가 9.02 %로 딱딱하고 PCE는 5.32 % 만 보이는 유연한 장치에서 눈에 띄게 감소했습니다. 또한, 장기 공기 저장 안정성이 실질적으로 개선되어 (10 일 후 보유율 87.75 %) PEIE 깨끗한 장치보다 우수합니다. 소자 안정성 및 광기 전 성능에서의 이러한 개선은 cathode interfacial layer (CIL)의 소수성의 증가에 기인한다. Atomic force microscopy (AFM) 특성화는 m-PEIE 기반 장치가 캐소드 / 광활성 층 계면에서 더 나은 전하 전달을 용이하게하는보다 부드러운 거칠기를 갖는다는 것을 보여준다. 또한, m-PEIE 소자는 광도 의존, 암색 J-V 및 electrochemical impedance spectroscopy (EIS) 분석에 따라 PEIE 소자에 비해 전하 재결합이 적다. 또한, m-PEIE 장치는 장치를 습기로부터 보호하는 스테아르 산의 소수성 장 탄화수소 사슬로 인해 주변 조건에서 더 우수한 안정성을 갖는다. m-PEIE 기반 장치는 10 일 후에도 초기 효율의 87 % 이상을 유지했습니다. 더 중요한 것은, m-PEIE 층은 유연한 장치에 유리한 추가적인 열 어닐링 처리를 필요로하지 않는다.

A low-cost polyelectrolyte, Polyethylenimine 80% ethoxylated (PEIE) has been widely used as an interface modified layer in flexible organic light-emitting diodes and organic solar cells. However, the PEIE has lower charge transfer compare to metal oxides. In this study, the device performance of bulk heterojunction solar cells is remarkably improved by modifying the PEIE using a hydrophobic molecule stearic acid. As a result, the stearic acid-modified-PEIE (denoted as m-PEIE) device achieved an improved power conversion efficiency (PCE) of 9.84% (FF 0.67, JSC 18.78 mA cm-2, VOC 0.79 V) for the rigid device and 8.39% (FF 0.66, JSC 16.65 mA cm-2, VOC 0.78 V) for the flexible device. Meanwhile, the PEIE pristine device only obtained a PCE of 8.45% (FF 0.62, JSC 17.55 mA cm-2, VOC 0.77 V) for rigid and 7.55% (FF 0.64, JSC 15.53 mA cm-2, VOC 0.76 V) for the flexible device. The ZnO device achieved a PCE of 9.02% for rigid and noticeably decreased on a flexible device which only shows a PCE of 5.32%. Furthermore, the long-term air–storage stability is substantially improved (87.75% retention after 10 days) which is superior to PEIE pristine device. These improvements in device stability and the photovoltaic performance are attributed to the increase of hydrophobicity of the cathode interfacial layers (CILs). Atomic force microscopy (AFM) characterization shows that m-PEIE based device has more smooth roughness which facilitates better charge transfer at the cathode/photoactive layer interface. Moreover, the m-PEIE device has less charge recombination compared to PEIE device according to the light intensity-dependent, dark J-V, and electrochemical impedance spectroscopy (EIS) analysis. Besides, the m-PEIE device has better stability in ambient conditions due to its hydrophobic long hydrocarbon chain of stearic acid which protects the device from moisture. The m-PEIE based device retained over 87% of the initial efficiency after 10 days. More importantly, the m-PEIE layer does not require a further thermal annealing treatment which is beneficial for flexible devices.