Development of organic solar cells using sulfonated polymer as active layer in bulk heterojunction devices

Abstract

Third-generation organic solar cells appear to be an alternative energy source for the future, however their main challenge has to do with achieving the optimal properties required for efficient, stable, and reasonably-priced solar cells. This work focuses on the development of novel active layer materials for application in bulk heterojunction (BHJ) devices. Photovoltaic measurements and material characterization studies were performed on a newly developed sulfonated-polymer, sulfonated poly(styrene)-poly(2-ethoxyethylmethacrylate)-poly(styrene) (SBCB). Critical materials properties and processing parameters such as the optical band gap, thin film thickness and uniformity, and film morphology were evaluated using a combination of materials characterization techniques that included atomic force microscopy, profilometry, and UV-Visible spectroscopy, among others. BHJ devices were fabricated using a standard configuration and the newly-developed polymer as the active layer. Polymer blends with [6,6]-Phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PCBM) were also evaluated and compared against P3HT:PCBM blends, which are currently considered the state-of-the-art combination for organic solar cells. The electrical performance of the fabricated devices was studied by determining I-V characteristics under solar exposure. These characteristics were evaluated as a function of the blending ratios and also the active layer thickness. The results for the P3HT:PCBM polymer blends validated the fabrication process for developing functional BHJ devices and the most efficient solar cell tested had a short circuit current density of 9.52 x 10-5 A/cm2, an open circuit voltage of 0.35 V, and a fill factor of 0.19. These values correspond to a solar cell with a 2:1 blend ratio and an active layer thickness of approximately 100 nm. In the case of the SBCB solar cells, the results suggest that further optimization of the polymer is needed in order to enhance its light absorption in the required range and therefore, improve its electrical performance.

Las celdas solares orgánicas de tercera generación parecen ser una fuente de energía alternativa para el futuro, sin embargo, su principal desafío tiene que ver con lograr las propiedades óptimas requeridas para celdas solares eficientes, estables y de precio razonable. Este trabajo se centra en el desarrollo de nuevos materiales de capa activa para su aplicación en dispositivos de heterounión a granel (BHJ). Las mediciones fotovoltaicas y los estudios de caracterización del material se realizaron en un polímero de sulfonato recién desarrollado, poli(estireno)-poli(2-etoxietil metacrilato)-poli(estireno) (SBCB) recién desarrollado. Las propiedades críticas de los materiales y los parámetros de procesamiento, como el intervalo de banda óptica, el grosor y la uniformidad de la película delgada, y la morfología de la película se evaluaron utilizando una combinación de técnicas de caracterización de materiales que incluían microscopía de fuerza atómica, profilometría y espectroscopía UV-Visible, entre otras. Los dispositivos BHJ se fabricaron utilizando una configuración estándar y el polímero recientemente desarrollado como capa activa. Mezclas de polímeros con éster metílico de ácido [6,6]-fenil-C61-butírico (PCBM) fueron evaluadas y comparadas con mezclas de P3HT:PCBM, que actualmente se consideran la combinación más moderna para celdas solares orgánicas. El rendimiento eléctrico de los dispositivos fabricados se estudió determinando las características de I-V bajo exposición solar. Estas características se evaluaron en función de las relaciones de mezcla y también del espesor de la capa activa. Los resultados para las mezclas de polímeros P3HT: PCBM validaron el proceso de fabricación para desarrollar dispositivos BHJ funcionales y la celda solar más eficiente probada tenía una densidad de corriente de corto circuito de 9.52 x 10-5 A / cm2, un voltaje de circuito abierto de 0.35 V, y un factor de relleno de 0.19. Estos valores corresponden a una celda solar con una relación de mezcla 2: 1 y un espesor de capa activa de aproximadamente 100 nm. En el caso de las celdas solares de SBCB, los resultados sugieren que se necesita una mayor optimización del polímero para mejorar su absorción de luz en el rango requerido y, por lo tanto, mejorar su rendimiento eléctrico.