Novel electron acceptors and new solution processed hole blocking layer for organic solar cells

Abstract

La utilització de materials orgànics per a la fabricació de cèl·lules solars és una de les alternatives considerades actualment per a reduir els costos de fabricació de sistemes fotovoltaics. Els materials orgànics tenen coeficients d’absorció elevats que permeten la utilització de capes primes i tècniques de fabricació de baix cost. L’objectiu d’aquesta tesi ha estat contribuir a la millora de les cèl·lules solars orgàniques d’heterounió massiva, mitjançant la incorporació de nous materials acceptors i donadors d’electrons, així com de capes de blocatge de forats depositades a partir de solucions. S’ha dut a terme l’estudi dels efectes de les capes transportadores d’electrons i forats en termes d’eficiència i de degradació dels dispositius fotovoltaics. S’han estudiat i fabricat capes de blocatge de forats amb bathocuproïna (BCP) depositada a través d’una tecnologia de solucions com a substitució del calci.

El empleo de materiales orgánicos en la fabricación de celulas solares es una de las alternativas actualmente consideradas para reducir los costes de fabricación de los sistemas fotovoltaicos. Los materiales organicos tienen coeficientes de absorpción elevados, permitiendo el uso de capas finas y técnicas de fabricación de bajo coste. El objectivo de esta tesis ha sido contribuir en la mejora de las células solares orgánicas de heterounión masiva, mediante la incorporación de nuevos materiales aceptores de la familia de los PDI, y de capas bloqueadoras de huecos depositadas a partir de soluciones. Se han estudiado los efectos de las capas transportadoras de electrones y huecos en términos de eficiencia y degradación de dispositivos fotovoltaicos. Se han fabricado capas bloqueadoras de huecos con bathocuproine (BCP) depositada a través de una tecnología de soluciones como sustituyente del Calcio. Se han estudiato y caracterizado las propriedades morfologicas y optoelectronicas de celulas solares con las estructuras ITO/PEDOT:PSS/PTB7:PDI/Ca/Ag y ITO/PEDOT:PSS/PTB7:PCBM/BCP/Ag. Se ha llevado a cabo una caracterización de las propiedades morfológicas y fotofísicas de los dispositivos fotovoltaicos fabricados a través de varios métodos de investigación, entre los cuales medidas J-V, EQE, Difracción de rayos X, medidas espectroscopia UV-Vis, medidas de movilidad de portadores, medidas de extracción de carga y foto-voltaje transitorio, AFM y medidas de ángulo de contacto.

The search for low cost photovoltaics has led to the use of organic materials as possible candidates to substitute silicon based solar devices. Organic materials have high absorption coefficients, allowing the use of thin layers and low cost solution phase manufacturing techniques. The objective of this thesis has been to contribute to the improvement of bulk-heterojunction organic solar cells through the incorporation of new acceptor materials of the PDI family and of a film layer of Bathocuproine (BCP) as hole blocking layer. The BCP layer was spin coated from a dilute toluene/methanol solution directly on top of the active layer. The morphological, optoelectronic properties of solar cells with the following structures have been studied and characterized: ITO / PEDOT: PSS / PTB7: PDI / Ca / Ag and ITO / PEDOT: PSS / PTB7: PCBM / BCP / Ag. For this purpose various characterization methods has been carried out, including JV measurements, EQE, X-ray diffraction, UV-Vis spectroscopy, carrier mobility measurements , charge extraction and transient photo-voltage measurements and AFM.