Novel polymer donors and small molecule acceptors in organic photovoltaic devices for wearable technologies

Abstract

Organic photovoltaics represent a very suitable alternative to develop cheap, flexible, versatile, and lightweight solar cells with reasonable efficiencies and good installation efficacy. Herein, several single-junction organic photovoltaic devices were manufactured with the main purpose of studying the mechanisms involved in the light harvesting and charge generation and transport processes. Alternating copolymer donor PM6 was used in a bulk heterojunction architecture with the non-fullerene acceptor (NFA) Y6. Also, a new random terpolymer was synthesized by adding a cyclopentadithiophene unit (CPDT) to the PM6 structure. The resulting donor material, called PM6-CPDT, was paired with the same acceptor and new devices were fabricated with the blend. The characterization of the new donor material, including FT-IR, UV-Vis, cyclic voltammetry, TGA, and AFM, showed a close similarity with PM6. Four different individual types of active layer blends, based on the statistical combinations of the two polymer donors with Y6 and with donor:acceptor mass blend ratios of 1:1.2 and 1.2:1 was used to fabricate the devices. The characterization of the devices consisted of applying separately, under 6000 lx of illumination and under the dark, a forward bias from -1 to 1.5 V and recording the current densities generated, and it showed no specific relationship between the type of active layer employed and the current generated by the photovoltaic layouts. Among all devices the maximum value of current density of 334 μA/cm2 was achieved with the PM6-CPDT:Y6 1:1.2 blend under illumination and 25.6 μA/cm2 under the dark, demonstrating a photovoltaic behavior on the cells. The nature of the results led us to conclude that stronger illumination and light intensity could achieve J-V curves that should allow calculations of the performance parameters such as short-circuit current density, open circuit voltage, and efficiency of the solar cells, which will be left for future works.

Las celdas fotovoltaicas orgánicas, por otro lado, representa una alternativa muy adecuada para desarrollar celdas solares baratas, flexibles, versátiles y livianas con eficiencias razonables y fácil instalación. En este trabajo se fabrica con varios dispositivos fotovoltaicos orgánicos con el objetivo principal de estudiar los mecanismos involucrados en los procesos de captación de luz y generación y transporte de carga. El polímero donante DA llamado PM6 se usó en una arquitectura de bulk heterojunction con el aceptor Y6. Además, se sintetizó un nuevo terpolímero aleatorio al agregar una unidad de ciclopentaditiofeno (CPDT) a la estructura de PM6. El material donante resultante, llamado PM6 CPDT, se combinó con el mismo aceptor y se fabricaron nuevos dispositivos con la mezcla resultante. La caracterización del nuevo material donante, que incluye FT IR, UV Vis, voltametría cíclica, TGA y AFM, mostró una gran similitud con PM6. Para fabricar los dispositivos se usaron cuatro tipos individuales y diferentes de mezclas de capas activas, basadas en las combinaciones estadísticas de los dos donantes de polímero con Y6 y con proporciones de mezcla donante:aceptor de 1:1 2 y 1 2:1. La caracterización de los dispositivos consistió en aplicar, bajo 6000 lx de iluminación y en la oscuridad, un voltaje directo de 1 a 1 5V y registrar las densidades de corriente generadas, y no mostró una relación específica entre el tipo de capa activa em pleada y la corriente generada por los diseños fotovoltaicos. Entre todos los dispositivos, el valor máximo de densidad de corriente de 334 μA/cm2 se logró con la mezcla PM6 CPDT:Y6 1:1 2 bajo iluminación y 25 6 μA/cm2 en la oscuridad, lo que demuestra uncomportamiento fotovoltaico en las celdas. La naturaleza de los resultados nos llevó a concluir que una mayor iluminación e intensidad lograría curvas JV que permitan calcular los parámetros de desempeño y eficiencia de las celdas solares, que quedarán para trabajos futuros.