Impact of novel fullerene acceptors and chemical additives on the morphology and efficiency of organic solar cells

Abstract

Organic photovoltaics (OPVs) have experienced significant developments in power conversion efficiency (PCE), attaining recently over 16 % for small area single junction devices. Aiming to bring the OPV technology to market, much efforts are being made to further improve their efficiencies and the development of novel fullerenes and the improvement of the active layer morphology (ex: additives, annealing) are some of the strategies currently being pursued. In this thesis, 16 novel N-methyl-fulleropyrrolidine acceptors, based on the fullerenes C60 (8) and C70 (8), were synthesized (Prato reaction). The functionalization of C70 yields a mixture of 4 regioisomers that have different HOMO/LUMO levels as determined by DFT calculations. The sixteen fullerene derivatives were tested in bulk-heterojunction (BHJ) solar cells with the low bandgap polymer PffBT4T-2OD. The different pendant groups attached to the N-methylfulleropyrrolidines consisted of phenyl groups (Chapter II) and thiophene and carbazole groups (Chapter III). For both sets, the corresponding HOMO/LUMO energy levels were determined by cyclic voltammetry. Even though several of the synthesized fulleropyrrolidine acceptors have more favorable (higher) LUMO levels than the standard PC71BM, when tested in PffBT4T-2OD based solar cells they originate devices with lower performances than reference devices based on PC71BM. Additionally, devices based on C60-fulleropyrrolidines show in general better photovoltaic performances than the corresponding devices based on C70-fulleropyrrolidines (structural and energetic disorder introduced by the regiosomer mixture of C70 derivatives) . The effect of different additives on the morphology and performance of PffBT4T-2OD:PC71BM based OPVs is investigated in Chapter IV. Some additives possess antagonist effects: some are shown to improve the PCE; others decrease PCE by ~30% and others eliminate any PCE. Grazing- Incidence Wide-Angle X-ray Scattering (GIWAXS) reveals a clear stepwise variation in the crystallinity of the systems when changing the additive between the two extreme-situations of maximum PCE (1-chloronaphthalene) and PCE null (hexadecane). Small Angle Neutron Scattering (SANS) reveals that the morphology of devices with PCE ~0% is composed of large phase domains with correlation lengths ~30 nm, i.e. much larger than the typical exciton diffusion length in organic semiconductors.

A energia fotovoltaica orgânica (OPVs) tem vivenciado desenvolvimentos significativos na eficiência de conversão de energia (PCE), atingindo recentemente mais de 16% para dispositivos de junção única de área pequena. Com o objetivo de trazer a tecnologia OPV ao mercado, estão sendo feitos muitos esforços para melhorar ainda mais suas eficiências e o desenvolvimento de novos fulerenos e o aprimoramento da morfologia da camada ativa (por ex: aditivos, recozimento) são algumas das estratégias atualmente adotadas. Nesta tese, 16 novos aceitadores de N-metil-fulleropirrolidina, com base nos fulerenos C60 (8) e C70 (8), foram sintetizados (reação de Prato). A funcionalização do C70 produz uma mistura de 4 regioisômeros que têm níveis diferentes de HOMO / LUMO, conforme determinado pelos cálculos de DFT. Os 16 derivados de fulereno foram testados em células solares BHJ com o polímero de baixo intervalo de banda PffBT4T-2OD. Os diferentes grupos pendentes ligados às N-metilfulleropirrolidinas consistiram em grupos fenil (capítulo II) e grupos tiofeno e carbazol (capítulo III). Para ambos os conjuntos, os níveis de energia HOMO / LUMO correspondentes foram determinados por voltametria cíclica. Embora vários dos aceitadores de fulleropyrrolidina sintetizados tenham níveis LUMO mais favoráveis (mais altos) do que o PC71BM padrão, quando testados em células solares baseadas em PffBT4T-2OD, eles originam dispositivos com desempenho mais baixo do que os dispositivos de referência baseados no PC71BM. Além disso, os dispositivos baseados em C60-fulleropirrolidinas apresentam, em geral, melhores desempenhos fotovoltaicos do que os dispositivos correspondentes baseados em C70-fulleropyrrolidinas (desordem estrutural e energética introduzida pela mistura de regiosômeros dos derivados C70). O efeito de diferentes aditivos na morfologia e desempenho dos OPVs baseados em PffBT4T- 2OD: PC71BM é investigado no Capítulo IV. Alguns aditivos possuem efeitos antagonistas: alguns melhoram o PCE; outros diminuem o PCE em ~ 30% e outros eliminam qualquer PCE. A dispersão de raios-X de ângulo amplo de incidência rasante (GIWAXS) revela uma clara variação gradual na cristalinidade dos sistemas ao alterar o aditivo entre as duas situações extremas de PCE máximo (1-cloronaftaleno) e PCE nulo (hexadecano). A dispersão de neutrões a baixos angulos (SANS) revela que a morfologia de dispositivos com PCE ~ 0% é composta por grandes domínios de fase com comprimentos de correlação ~ 30 nm, ou seja, muito maiores que o comprimento típico de difusão do excitão em semicondutores orgânicos.