Published April 1, 2021
| Version v1
Publication
Open
Pressure and thermal annealing effects on the photoconversion efficiency of polymer solar cells
Creators
- 1. Worcester Polytechnic Institute
- 2. African Institute of Science and Technology
- 3. University of Ghana
- 4. Brookhaven National Laboratory
Description
This paper presents the results of experimental and theoretical studies of the effects of pressure and thermal annealing on the photo-conversion efficiencies (PCEs) of polymer solar cells with active layers that consist of a mixture of poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl) and fullerene derivative (6,6)-phenyl-C61-butyric acid methyl ester. The PCEs of the solar cells increased from ∼2.3% (for the unannealed devices) to ∼3.7% for devices annealed at ∼150 °C. A further increase in thermal annealing temperatures (beyond 150 °C) resulted in lower PCEs. Further improvements in the PCEs (from ∼3.7% to ∼5.4%) were observed with pressure application between 0 and 8 MPa. However, a decrease in PCEs was observed for pressure application beyond 8 MPa. The improved performance associated with thermal annealing is attributed to changes in the active layer microstructure and texture, which also enhance the optical absorption, mobility, and lifetime of the optically excited charge carriers. The beneficial effects of applied pressure are attributed to the decreased interfacial surface contacts that are associated with pressure application. The implications of the results are then discussed for the design and fabrication of organic solar cells with improved PCEs.
Translated Descriptions
⚠️
This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%
Translated Description (Arabic)
تعرض هذه الورقة نتائج الدراسات التجريبية والنظرية لتأثيرات الضغط والتلدين الحراري على كفاءات التحويل الضوئي (PCEs) للخلايا الشمسية البوليمرية ذات الطبقات النشطة التي تتكون من خليط من بولي (3 - هكسيل ثيوفين-2، 5 -ديل) ومشتق الفوليرين (6،6) - فينيل- C61 - حمض بيوتيريك ميثيل إستر. زادت PCEs للخلايا الشمسية من 2.3 ٪ (للأجهزة غير الملدنة) إلى 3.7 ٪ للأجهزة الملدنة عند 150 درجة مئوية. أدت زيادة أخرى في درجات حرارة التلدين الحراري (أكثر من 150 درجة مئوية) إلى انخفاض PCEs. لوحظت تحسينات أخرى في PCEs (من 3.7 ٪ إلى 5.4 ٪) مع تطبيق الضغط بين 0 و 8 ميجا باسكال. ومع ذلك، لوحظ انخفاض في PCEs لتطبيق الضغط بعد 8 ميجا باسكال. يُعزى الأداء المحسن المرتبط بالتلدين الحراري إلى التغيرات في البنية المجهرية للطبقة النشطة والملمس، والتي تعزز أيضًا الامتصاص البصري والتنقل وعمر ناقلات الشحنة المستثارة بصريًا. تُعزى الآثار المفيدة للضغط المطبق إلى انخفاض ملامسات السطح البيني المرتبطة بتطبيق الضغط. ثم تتم مناقشة الآثار المترتبة على النتائج لتصميم وتصنيع الخلايا الشمسية العضوية مع PCEs المحسنة.Translated Description (French)
Cet article présente les résultats d'études expérimentales et théoriques sur les effets de la pression et du recuit thermique sur les efficacités de photoconversion (pce) des cellules solaires polymères avec des couches actives constituées d'un mélange d'ester méthylique d'acide poly(3-hexylthiophène-2,5-diyle) et de dérivé de fullerène (6,6) -phényl-C61-butyrique. Les pce des cellules solaires sont passés de ∼2,3 % (pour les dispositifs non recuits) à ∼3,7 % pour les dispositifs recuits à ∼150 °C. Une nouvelle augmentation des températures de recuit thermique (au-delà de 150 °C) a entraîné une baisse des pce. D'autres améliorations des pce (de ∼3,7% à ∼5,4%) ont été observées avec une application de pression comprise entre 0 et 8 MPa. Cependant, une diminution des pce a été observée pour l'application de pression au-delà de 8 MPa. Les performances améliorées associées au recuit thermique sont attribuées à des changements dans la microstructure et la texture de la couche active, qui améliorent également l'absorption optique, la mobilité et la durée de vie des porteurs de charge optiquement excités. Les effets bénéfiques de la pression appliquée sont attribués à la diminution des contacts de surface interfaciale associés à l'application de la pression. Les implications des résultats sont ensuite discutées pour la conception et la fabrication de cellules solaires organiques avec des pce améliorés.Translated Description (Spanish)
Este artículo presenta los resultados de estudios experimentales y teóricos de los efectos de la presión y el recocido térmico sobre las eficiencias de fotoconversión (PCE) de células solares poliméricas con capas activas que consisten en una mezcla de poli(3-hexiltiofeno-2,5-diilo) y derivado de fullereno éster metílico del ácido (6,6) -fenil-C61-butírico. Los PCE de las células solares aumentaron de ∼2,3% (para los dispositivos no recocidos) a ∼3,7% para los dispositivos recocidos a ∼150 °C. Un aumento adicional en las temperaturas de recocido térmico (más allá de 150 °C) dio como resultado PCE más bajos. Se observaron mejoras adicionales en los PCE (de ∼3.7% a ∼5.4%) con la aplicación de presión entre 0 y 8 MPa. Sin embargo, se observó una disminución en los PCE para la aplicación de presión más allá de 8 MPa. El rendimiento mejorado asociado con el recocido térmico se atribuye a cambios en la microestructura y textura de la capa activa, que también mejoran la absorción óptica, la movilidad y la vida útil de los portadores de carga ópticamente excitados. Los efectos beneficiosos de la presión aplicada se atribuyen a la disminución de los contactos superficiales interfaciales que se asocian con la aplicación de presión. A continuación, se discuten las implicaciones de los resultados para el diseño y la fabricación de células solares orgánicas con PCEs mejorados.Files
5.0045694.pdf
Files
(93 Bytes)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:b0d506893d4802090edf1644f5f082cd
|
93 Bytes | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- تأثيرات الضغط والتلدين الحراري على كفاءة التحويل الضوئي للخلايا الشمسية البوليمرية
- Translated title (French)
- Effets de recuit sous pression et thermique sur l'efficacité de photoconversion des cellules solaires polymères
- Translated title (Spanish)
- Efectos de la presión y el recocido térmico en la eficiencia de fotoconversión de las células solares de polímero
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W3140648592
- DOI
- 10.1063/5.0045694
References
- https://openalex.org/W640745573
- https://openalex.org/W642417197
- https://openalex.org/W1965024955
- https://openalex.org/W1971018955
- https://openalex.org/W1980317560
- https://openalex.org/W1981217546
- https://openalex.org/W1981296117
- https://openalex.org/W1983611879
- https://openalex.org/W1984943181
- https://openalex.org/W1986135308
- https://openalex.org/W1988567331
- https://openalex.org/W1992701177
- https://openalex.org/W1996032315
- https://openalex.org/W2004079776
- https://openalex.org/W2004744623
- https://openalex.org/W2016088184
- https://openalex.org/W2019885280
- https://openalex.org/W2022091162
- https://openalex.org/W2024979489
- https://openalex.org/W2025825088
- https://openalex.org/W2027728370
- https://openalex.org/W2027916054
- https://openalex.org/W2029905381
- https://openalex.org/W2034265518
- https://openalex.org/W2041769139
- https://openalex.org/W2043942465
- https://openalex.org/W2044067147
- https://openalex.org/W2044473182
- https://openalex.org/W2047452197
- https://openalex.org/W2049309314
- https://openalex.org/W2051801615
- https://openalex.org/W2060103463
- https://openalex.org/W2061052540
- https://openalex.org/W2064731817
- https://openalex.org/W2065258689
- https://openalex.org/W2068925596
- https://openalex.org/W2070024416
- https://openalex.org/W2072246524
- https://openalex.org/W2074165435
- https://openalex.org/W2074824879
- https://openalex.org/W2077216718
- https://openalex.org/W2088155711
- https://openalex.org/W2088750456
- https://openalex.org/W2094612403
- https://openalex.org/W2105942296
- https://openalex.org/W2106538662
- https://openalex.org/W2132012759
- https://openalex.org/W2161218199
- https://openalex.org/W2169498876
- https://openalex.org/W2257390989
- https://openalex.org/W2266711372
- https://openalex.org/W2275060854
- https://openalex.org/W2281901361
- https://openalex.org/W2285395573
- https://openalex.org/W2297827485
- https://openalex.org/W2314482289
- https://openalex.org/W2324951035
- https://openalex.org/W2327128360
- https://openalex.org/W2332894392
- https://openalex.org/W2467228840
- https://openalex.org/W2518639714
- https://openalex.org/W2551120585
- https://openalex.org/W2555879192
- https://openalex.org/W2605207789
- https://openalex.org/W2606168047
- https://openalex.org/W2615203216
- https://openalex.org/W2617634209
- https://openalex.org/W2754494694
- https://openalex.org/W2764010392
- https://openalex.org/W2770972235
- https://openalex.org/W2772239201
- https://openalex.org/W2793196685
- https://openalex.org/W2794619529
- https://openalex.org/W2808241957
- https://openalex.org/W2886600502
- https://openalex.org/W2897168609
- https://openalex.org/W2999086094
- https://openalex.org/W3000086083
- https://openalex.org/W3006163403
- https://openalex.org/W3018528390
- https://openalex.org/W3084457511
- https://openalex.org/W3126900731