Quantum efficiency of organic solar cells as a function of temperature and field. A study of PM6:Y6

Abstract

One of the limiting factors in the power conversion efficiency of organic solar cells is the open circuit voltage. In the highly efficient non fullerene acceptor PM6:Y6 organic solar cells, open circuit voltage is still below that of inorganic solar cells. This thesis investigates the quantum efficiency of PM6:Y6 organic solar cells under various applied biases, including open circuit voltage, and at different temperatures, aiming to unravel the underlying mechanisms governing their behaviour. Notably, this study observes significant photo-current under forward bias conditions, extending beyond the open circuit voltage. Subsequent comparison of experimental data with kinetic Monte Carlo and Drift Diffusion simulations unveil the recombination kinetics surrounding the open circuit regime, demonstrating a clear dependence of geminate recombination on both bias voltage and temperature. With the maximum geminate recombination peak occurring at the open circuit voltage, suggesting a dependency in free charge generation, on these parameters.

Um dos fatores limitantes na eficiência de conversão energética das células solares orgânicas é a tensão de circuito aberto. Nas células solares orgânicas PM6:Y6 de alta eficiência com o aceitador não-fullereno, a tensão de circuito aberto ainda está abaixo da tensão das células solares inorgânicas. Esta dissertação tem como objetivo investigar a eficiência quântica das células solares orgânicas PM6:Y6 sob diversas tensões, incluindo a de circuito aberto, e a diferentes temperaturas, com o objetivo de entender os mecanismos que governam o comportamento destas células. Neste estudo, observa-se uma foto-corrente significativa sob condições de polarização direta, estendendo-se além da tensão de circuito aberto. A subsequente comparação dos dados experimentais com simulações de Monte Carlo cinético e Drift Diffusion revelam as cinéticas de recombinação em torno do regime de circuito aberto, demonstrando uma clara dependência da recombinação geminada tanto no campo elétrico como na temperatura. O máximo da recombinação geminada ocorre na tensão de circuito aberto, sugerindo uma dependência na geração de cargas livres nestes parâmetros.