Comprehend the Optical, Morphological, and Electrical Characteristic of Air Processed Polymer Solar Cells

Abstract

Solar energy via photovoltaic (PV) is a promising and freely accessible energy source that has become the main route for managing long term challenges in the energy crisis. Organic solar cells (OSCs) have raised interest in the scientific community due to their enormous potential in solar industry such as mechanical flexibility, exceptional processability, and capability of large-area roll-to-roll (R2R) manufacturing. In this work, we emphasize to understand the correlation between optical (absorbance and photoluminescence) and morphology properties of air processed photoactive layer, which are prepared at different spin-speeds (800 rpm, 1000 rpm, 1200 rpm, and 1500 rpm) and PC61BM concentration (1.0:0.6, 1.0:0.8 and 1.0:1.0 ratios) and its influence on the performance of OSCs devices. Here, OSCs devices have been fabricated in an inverted bulk heterojunction (BHJ) device configuration viz. sputtered Indium Thin Oxide (sITO)/Zinc oxide (ZnO)/P3HT:PC61BM/ Molybdenum trioxide (MoO3)/Silver (Ag). The sITO, ZnO, MoO3, and Ag were introduced as a transparent cathode electrode, electron transport layer (ETL), hole transport layer (HTL), and an anode electrode, respectively. The blend of regioregular poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl) (rrP3HT), donor polymer, and [6,6] phenylC61-butyric acid methyl ester (PC61BM), acceptor molecule, is employed as a photoactive layer in the proposed devices. All the samples (for optical and morphological measurements) and solar cell devices were prepared via spin-coating technique without controlling the atmospheric conditions. A thin interface layer of MoO3 (10 nm, 0.2-0.5 Å/sec) and anode electrode (Ag, ≈ 150 nm, 1.5 Å/sec) were both deposited, sequentially, on the photoactive layer using thermal evaporation with a vacuum of 10-6 Torr. The photovoltaic performance parameters were explored by using current-voltage (J-V) characteristics. Furthermore, electrochemical impedance spectroscopy (EIS) was used to generate an electrical model for the extraction of charge transport parameters of air processed OSCs devices such as the chemical capacitance (Cμ), effective lifetime (τn), diffusion time (τd) and charge carrier mobility (μ). Additionally, the long-term stability of the produced photovoltaic devices is reported.

A energia solar fotovoltaica é uma fonte promissora e acessível de energia que se tornou a rota principal para a gestão dos desafios impostos pela crise energética a longo termo. As Células Solares Orgânicas (CSOs) captaram o interesse da comunidade científica devido ao seu enorme potencial industral como a sua flexibilidade mecânica, o processamento exceptcional e a capacidade de produção roll-to-roll (R2R) a larga escala. Neste trabalho, deu-se ênfase à correlação entre as propriedades óticas (absorbância e fotoluminescência) e morfológicas das camadas activas processadas em atmosfera aberta, as quias preparadas a diferentes spin-speeds (800rpm, 1200rpm, 1500rpm), possuem diferentes concentrações de PC61BM (a 1.0:0.6, 1.0:0.8 e 1.0:1.0 proporções) e a sua influência na performance das CSOs. Aqui, as CSOs foram fabricadas numa configuração de dispositivo invertida baseda no principio de heterojunção (BHJ). O Óxido de Indio Estanho (ITO), preparado pela técnica Sputtering RF, sITO/Óxido de Zinco (ZnO)/P3HT:PC61BM/ Tróxido de molibdénio (MoO3)/Prata (Ag). sITO, ZnO, MoO3, e Ag foram introduzidos como cátodo (electrodo) transparente, camada transportadora de eletrões (ETL), camada de transportadora de buracos (HTL) e ânodo (electrodo), respetivamente. A mistura de regioregular poli (3-hexiltiofeno) (rrP3HT), polímero doador, e [6,6]-fenil-C61-ácido butírivo-metil ester (PC61BM), a molécula aceitadora, foi utilizada como camada ativa nos dispositivos propostos. Todas as amostras (para as avaliações óticas e morfológicas) e as células solares foram preparadas através da técnica de spin-coating , sem controlo das condições atmosféricas. Uma interface fina de MoO3 (10 nm, 0.2-0.5 Å/sec) e um ânodo (elétrodo) (Ag, ≈ 150 nm, 1.5 Å/sec) foram ambos depositados, sequencialmente, na camada activa através da sua evaporação térmica a vácuo de 10-6 Torr. Os parâmetros de performance fotovoltaica foram explorados através das curvas caracteristicas J-V. Além disso, a espectroscopia de impedância eletroquímica (EIS) foi utilizada para gerar um modelo elétrico para a extracção dos parâmetros de transporte de carga de dispositivos solares processados em atmosfera aberta, tais como capacitância química (Cμ), tempo de vida efetivo (τn), tempo de difusão (τd) e mobilidade global (μ). Adicionalmente a estabilidade de longo-termo das células produzidas é reportada.