Investigations on photovoltaic efficiency, stability, and mechanism of organic solar cells. / Enquêtes sur l'efficacité photovoltaïque, la stabilité et le mécanisme des cellules solaires organiques.

Li, Pandeng (2021). Investigations on photovoltaic efficiency, stability, and mechanism of organic solar cells. / Enquêtes sur l'efficacité photovoltaïque, la stabilité et le mécanisme des cellules solaires organiques. Thèse. Québec, Doctorat en sciences de l'énergie et des matériaux, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 160 p.

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Résumé

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L'utilisation actuelle de l'énergie repose principalement sur des combustibles fossiles non renouvelables et polluants, ce qui entraîne des conséquences non durables sur les plans sociétal, économique, géopolitique et environnemental. L'exploitation de l'énergie solaire est l'une des sources d'énergie renouvelable les plus prometteuses pour répondre à la demande énergétique mondiale, qui ne cesse de croître. Les cellules solaires, qui convertissent directement l'énergie solaire en électricité par l'effet photovoltaïque (PV), ont été considérées comme l'une des technologies les plus propres et les plus prometteuses pour résoudre les problèmes énergétiques actuels. Depuis que la première cellule solaire au silicium d'une efficacité de 6 % a été réalisée avec succès par le Bell Lab en 1954, l'efficacité des cellules solaires n'a cessé d'être améliorée et différents types de cellules solaires ont été explorés. Aujourd'hui, les diverses cellules solaires inorganiques basées sur le silicium cristallin, le tellurure de cadmium ou le séléniure de cuivre, d'indium et de germanium (CIGS) ont obtenu un rendement de conversion de puissance élevé (PCE) d'environ 15 à 27 % et occupent la plupart des technologies PV disponibles dans le commerce. Toutefois, les processus de fabrication complexes des cellules solaires inorganiques susmentionnées, le coût élevé des matières premières et les problèmes environnementaux connexes ont entravé leur déploiement à grande échelle. Ils ont encouragé des recherches intensives pour développer des technologies PV à haut rendement, à faible coût et respectueuses de l'environnement, parmi lesquelles les cellules solaires organiques (OSC) constituent une alternative prometteuse en raison de leurs avantages remarquables: faible coût, flexibilité, légèreté et simplicité des processus de fabrication. Aujourd'hui, le meilleur PCE des OSC à simple jonction a atteint plus de 18 % en laboratoire, ce qui les rend plus que jamais attrayants pour d'éventuelles applications commerciales. Cependant, certains problèmes liés aux OSC doivent être soigneusement résolus avant que les OSC puissent être largement appliqués. Premièrement, l'efficacité des OSC est toujours inférieure à celle du silicium. Il est très difficile de régler avec précision la ségrégation de phase de l'hétérojonction en vrac pour une dissociation efficace des excitons et le transport des charges, bien que de nombreux paramètres de traitement aient été ajustés, notamment le recuit thermique, le recuit à la vapeur de solvant et l'ingénierie des additifs de solvant. Parmi eux, l'ajout d'additifs de solvant est le moyen le plus simple et le plus efficace sans augmenter la complexité de fabrication des OSC, en particulier les additifs de solvant binaires. Cependant, le rôle du composant unique dans les additifs de solvant binaire n'a pas été entièrement divulgué dans les rapports susmentionnés. Deuxièmement, bien que l'efficacité des OSC se soit considérablement améliorée, la plupart des OSC sont toujours fabriqués dans une atmosphère inerte en raison de la sensibilité à l'air des matériaux photovoltaïques organiques, des couches d'interface et des matériaux d'électrode. L'aptitude au traitement à l'air et la stabilité à long terme des OSC ont donc attiré davantage l'attention et certaines stratégies ont été mises en oeuvre, comme l'utilisation de la structure inversée du dispositif, les oxydes métalliques comme couches d'extraction d'électrons, les oxydes métalliques à haute fonction de travail comme couches d'interface anodiques et la modification des films photoactifs. Cependant, la stratégie la plus prometteuse et la plus efficace pour obtenir des OSC stables et à haut rendement consiste à explorer les matériaux photovoltaïques stables et traitables à l'air dans diverses conditions. Parallèlement, il convient d'améliorer encore les performances des dispositifs correspondants et d'examiner en détail la stabilité à long terme de ces dispositifs traités par air dans différentes conditions ambiantes. Enfin, la percée des matériaux accepteurs non fullerènes fait progresser rapidement l'efficacité des dispositifs. Les caractéristiques les plus significatives des dispositifs à base de non-fullerène à haute performance sont la faible perte de tension et, par conséquent, la séparation efficace des charges avec une force motrice faible (ou négligeable). Jusqu'à présent, la plupart des recherches se sont concentrées sur les nouveaux accepteurs non fullerènes pour les dispositifs à haute performance avec une faible perte de tension. La dissociation d'exciton pour les dispositifs à base de nonfullerène avec une faible perte de tension (ou une petite force motrice) n'est pas entièrement claire, et les facteurs d'influence doivent être étudiés. Pour répondre aux questions ci-dessus, les trois parties de la thèse ci-dessous ont fourni des explorations significatives. Dans la première partie, pour sonder le principe de combinaison des additifs de solvant binaire et l'effet d'un seul composant dans les additifs de solvant binaire sur l'amélioration des performances du dispositif, nous avons développé un additif solvant binaire alternatif de 1,8-diiodooctane (DIO) et un p-anisaldéhyde (AA) et avons sondé son effet sur le dispositif basé sur le poly[(5,6-difluoro-2,1,3- benzothiadiazol-4,7-diyl)-alt- (3,3'''-di(2-octyldodecyl) 2,2' ;5',2'';5'',2''' -quaterthio-phen- 5,5'''-diyle)] (PffBT4T-2OD) comme donneur et l'ester méthylique de l'acide [6,6]-phényl-C61-butyrique (PC61BM) comme accepteur. Les mesures correspondantes ont été effectuées par spectroscopie d'absorption optique, diffraction des rayons X en incidence rasante (GIXRD), microscopie à force atomique (AFM) à module de Derjaguin-Muller-Toporov (DMT) et cartographie de l'énergie plasmonique par microscopie électronique à transmission à balayage (STEM). Il a été constaté que l'AA facilitait principalement l'ordre du polymère PffBT4T-2OD et sa haute cristallinité. Par contre, le DIO pouvait diffuser le PC61BM dans la matrice polymère PffBT4T-2OD pour élargir les interfaces D-A. Le film photoactif a donc obtenu de grandes dimensions de D-A. Ainsi, le film photoactif a obtenu de grandes interfaces D-A et un transport de porteurs de charge plus équilibré en combinant DIO et AA. Par conséquent, l'effet synergique bénéfique a conduit à un courant de court-circuit (Jsc) et à un facteur de remplissage (FF) élevés, et a finalement atteint un PCE de 10.64 %, qui a été amélioré de 16 % par rapport au dispositif de contrôle. Par conséquent, ce cas dévoile un mécanisme général d'exploration d'un nouvel additif de solvant binaire avec un effet synergique sur le film photoactif pour améliorer le dispositif OSCs. En outre, pour améliorer l'efficacité du dispositif par l'ingénierie des additifs de solvant, la stabilité du dispositif dans différentes conditions, qui est un autre aspect du dispositif à haute performance, doit être prise en compte. Dans la deuxième partie, basée sur un terpolymère à faible bande interdite stable dans l'air (PDPPPTD) de notre collaborateur, les OSCs traités dans l'air, composés de PDPPPTD comme donneur et de PC61BM comme accepteur, ont atteint avec succès un PCE élevé de 6.34%, et les stabilités des performances du dispositif dans différentes conditions ambiantes ont été étudiées. Il a été constaté que le dispositif correspondant présentait une stabilité thermique, une photostabilité et une stabilité à long terme supérieures dans une atmosphère ambiante avec une humidité appropriée, par rapport à de nombreux OSC rapportés. En outre, compte tenu du grand potentiel, un additif solvant p-anisaldéhyde (AA) non toxique et sans iode a été essayé, puis l'efficacité supérieure de 7.41% a été fabriquée avec succès, ce qui est l'une des efficacités les plus élevées des OSCs stables et traités à l'air. De plus, avec le traitement AA, la reproductibilité et la stabilité des performances du dispositif dans différentes conditions ambiantes ont été améliorées. Par conséquent, cela présente une voie pour développer des OSCs traités à l'air pour une application commerciale dans le futur. Dans la troisième partie, pour comprendre la dissociation efficace des excitons sous une petite force motrice avec une perte de tension réduite dans les dispositifs photovoltaïques à base de non fullerène, une nouvelle méthode de mesure précise des constantes diélectriques a été utilisée dans les différents dispositifs à base de non fullerène consistant en un polymère PM6 à base de thiényl benzodithiophène fluoré (BDT-2F) comme donneur commun, et une série sélectionnée de matériaux non fullerènes comme accepteurs. Il a été constaté que, par rapport aux dérivés du fullerène, la plupart des matériaux non fullerènes présentaient des constantes diélectriques plus élevées. De plus, les films de mélange correspondants présentaient des constantes diélectriques plus élevées et des différences de constantes diélectriques plus importantes entre le donneur polymère PM6 et les accepteurs non fullerènes, confirmées par microscopie optique à champ proche à balayage de type diffusion. Les résultats indiquent que les dispositifs à base de nonfullerène diminuent l'énergie de liaison des excitons et la perte par recombinaison des porteurs, tout en augmentant la séparation des charges, ce qui est cohérent avec la dissociation efficace des excitons sous une petite force motrice. En outre, le chevauchement entre le spectre d'émission du donneur de polymère PM6 et les spectres d'absorption des accepteurs non fullerènes a permis le transfert d'énergie de résonance du donneur de polymère PM6 à l'accepteur dans les dispositifs non fullerènes. Cela a été confirmé en comparant les spectres d'émission changeant des films donneurs (et accepteurs) vierges et des films de mélange correspondants. Le transfert d'énergie de résonance a amélioré la diffusion efficace des excitons. L'effet synergique de la propriété diélectrique élevée et du transfert d'énergie sur la séparation des charges, a donc interprété la dissociation efficace des excitons pour la performance élevée du dispositif sous une petite force motrice. En même temps, le travail a donné une voie possible pour éclairer le mécanisme physique intrinsèque de fonctionnement des OSCs non-fullerènes.

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The current energy use mainly relies on nonrenewable and polluting fossil fuels, which causes unsustainable consequences for societal, economical, geopolitical, and environmental issues. Harnessing solar energy is one of the most promising renewable energy sources to meet the world's large and growing energy demand. Solar cells, which directly convert solar energy to electricity via the photovoltaic (PV) effect, have been considered as one of the cleanest and most promising technologies to tackle today's energy issues. Since the first silicon solar cell with the efficiency of 6% was successfully achieved by Bell Lab in 1954, the efficiency of solar cells was continuously improved and different kinds of solar cells were explored. Nowadays, the various inorganic solar cells based on crystalline silicon, cadmium telluride, or copper indium germanium selenide (CIGS) obtained a high power conversion efficiency (PCE) of about 15-27% and occupied most of the PV technologies available commercially. However, the complex manufacturing processes of the above inorganic solar cells, the high cost of raw materials, and the related environmental issues have impeded their widespread deployment. They encouraged intensive researches to develop high-efficiency, low-cost, and eco-friendly PV technologies, of which organic solar cell (OSC) is a promising alternative because of their remarkable advantages of low-cost, flexibility, light weight, and simple fabrication processes. Now the best PCE of single-junction OSC has reached up to over 18% in the lab, which makes them more than ever attractive for possible commercial applications. However, some issues in OSCs required to be carefully addressed before the OSCs likely can be widely applied. Firstly, the efficiency of OSC still lags behind silicon one. It is very difficult to precisely tune the bulk-heterojunction phase segregation for efficient exciton dissociation as well as charge transport, although many related processing parameters have been adjusted, including thermal annealing, solvent vapor annealing, and solvent additives engineering. Among them, adding solvent additive is the simplest and very effective way without increasing the fabricated complexities of OSCs, especially the binary solvent additives. However, the role of the single component in binary solvent additives has not been fully disclosed in the aforementioned reports. Second, regardless of the fact that the efficiency of OSC achieved huge improvement, most of the OSCs are still fabricated in an inert atmosphere due to the air sensitivity of organic photovoltaic materials, interface layers, and electrode materials. So the air processability and long-term stability of OSCs have attracted more attention and some strategies have been conducted, such as employing the inverted device structure, the metal oxides as electron extraction layers, the high work-function metal oxides as anode interface layers, and modification of photoactive films. However, the most promising and effective strategy for stable and high-efficiency OSCs is to explore the air- processable and stable photovoltaic materials under various conditions. Meanwhile, the related device performance should be further improved and the long-term stabilities of these air-processed devices under different ambient conditions should be examined in detail. Lastly, the breakthrough of non-fullerene acceptor materials makes the device's efficiency rapidly progresses. And the most significant features of high-performance non fullerene based devices are the low voltage loss and consequently the efficient charge separation with a small (or negligible) driving force. Until now, most researches mainly focus on the novel non-fullerene acceptors for high-performance devices with lower voltage loss. Exciton dissociation for non-fullerene based device with a low voltage loss (or a small driving force) is not entirely clear, and the influencing factors are highly required to be investigated. To answer the above questions, below three parts in the thesis have provided meaningful explorations. In the first part, to probe the combination principle of binary solvent additives and the effect of a single component in binary solvent additives on the improvement of device performance, we developed an alternative binary solvent additive of 1,8-diiodooctane (DIO) and a p-anisaldehyde (AA) and probed its effect on the device based on poly[(5,6-difluoro-2,1,3- benzothiadiazol-4,7-diyl)-alt-(3,3’’’-di(2- octyldodecyl) 2,2’;5’,2’’;5’’,2’’’ -quaterthio-phen- 5,5’’’-diyl)] (PffBT4T-2OD) as the donor and [6,6]- phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PC61BM) as the acceptor. Related measurements were conducted by optical absorption spectroscopy, grazing- incidence X-ray diffraction (GIXRD), Derjaguin-Muller-Toporov (DMT) modulus atomic force microscopy (AFM), and plasmon energy mapping via scanning transmission electron microscopy (STEM). It was found that AA mainly facilitated PffBT4T-2OD polymer order and high crystallinity. Differently, DIO could diffuse PC61BM into the PffBT4T-2OD polymer matrix for enlarged D-A interfaces. So the photoactive film obtained large D-A interfaces and more balanced charge carrier transport by combining DIO and AA. Hence, the beneficial synergistic effect led to the high short circuit current (Jsc) and fill factor (FF), and finally reached to PCE of 10.64%, which was improved by 16% compared with the control device. Therefore, the case unveils a general mechanism of exploring new binary solvent additive with synergistic effect on the photoactive film to enhance the OSCs device. In addition, to improve device efficiency by solvent additives engineering, the device stabilities under different conditions as another aspect of the high-performance device, should be considered. In the second part, based on an air-stable low bandgap terpolymer (PDPPPTD) from our collaborator, the air-processed OSCs consisting of PDPPPTD as the donor and PC61BM as the acceptor, successfully achieved a high PCE of 6.34%, and the stabilities of device performance under different ambient conditions were studied. It was found that the related device exhibited superior thermal stability, photo-stability, and long-term stability in an ambient atmosphere with suitable humidity compared with lots of the reported OSCs. Besides, considering the great potential, a nontoxic and iodine-free p-anisaldehyde (AA) solvent additive was attempted, then the higher efficiency of 7.41% was successfully fabricated, which is one of the highest efficiency of air-processed and stable OSCs. Moreover, with AA treatment, the related device performance reproducibility and stability under different ambient conditions were further improved. Therefore, it presents a pathway to develop air-processed OSCs for commercial application in the future. In the third part, to figure out the efficient excitons dissociation under a small driving force with reduced voltage loss in non-fullerene based photovoltaic devices, a novel method of accurately measuring dielectric constants was used in the different non-fullerene based devices consisting of fluorinated-thienyl benzodithiophene (BDT-2F)-based polymer PM6 as the common donor, and a selected series of non fullerene materials as the acceptors. It was found that compared with fullerene derivatives, most non fullerene materials showed higher dielectric constants. Moreover, the corresponding blend films exhibited the higher dielectric constants and the larger dielectric constant differences between PM6 polymer donor and non-fullerene acceptors confirmed by scattering-type scanning near-field optical microscopy. The results indicated that the non-fullerene based devices decreased exciton binding energy and carrier recombination loss, and meanwhile increased charge separation, which is consistent with the efficient exciton dissociation under a small driving force. In addition, the overlap between the emission spectrum of PM6 polymer donor and absorption spectra of non-fullerene acceptors allowed the resonance energy transfer from PM6 polymer donor to the acceptor in the non-fullerene based devices. It was further confirmed by comparing the emission spectra changing of pristine donor (and acceptor) films and corresponding blend films. The resonance energy transfer enhanced the efficient exciton diffusion. The synergistic effect of high dielectric property and energy transfer on charge separation, therefore, interpreted efficient exciton dissociation for the high device performance under a small driving force. Meanwhile, the work gave a possible path to illuminate the intrinsic physical working mechanism of non-fullerene OSCs.

Type de document:	Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse:	Ma, Dongling
Co-directeurs de mémoire/thèse:	Sun, Baoquan
Mots-clés libres:	cellules solaires organiques; additifs de solvant binaire; cellules solaires traitées à l'air; haute stabilité; constante diélectrique; transfert d'énergie; séparation des charges; organic solar cells; binary solvent additives; air-processed solar cells; high stability; dielectric constant; energy transfer; charge separation
Centre:	Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt:	19 nov. 2021 14:40
Dernière modification:	19 avr. 2022 04:00
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/12072

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