Beta-alanine as a Dual Modification Additive in Organic Solar Cells

doi:10.7503/cjcu20230185

Abstract

Abstract:

This work presents a novel approach to modify the interface of organic solar cells（OSCs） by using beta- alanine（β-alanine） which has a hydroxyl（—OH）/carboxyl group（—COOH） group on one side and amine（—NH₂） on the other side. As a dual modifier approach， β-alanine was applied to both the hole-transporting layer（HTL， PEDOT∶PSS） and electron-transporting layer（ETL）； PFN-Br was added in the same device through a simple solution-processed technique， resulting in the synthesis of new interface layers. β-alanine is soluble in polar aqueous solvents， and their soluble components in this work are methanol and water. Dual modification approach improved the power conversion efficiency（PCE） of PM6∶Y6 solar cells， increasing from 14.99% to 15.78% among with a single-sided approach. The hydrophobicity of both layers was enhanced as confirmed by contact angle and FTIR measurements， which blocked moisture and oxygen from interacting with their respective electrodes. The surface morphology was analyzed using AFM. The results showed that the amine group of β-alanine interacted with the —SO $3 -$ group of PSS as well as with the bromine halogen（Br^‒） ion of PFN-Br， which reduced their concentration which elevated the hydrophobicity and improved the stability of the OSCs. Furthermore， the carrier mobilities for both the modified devices were improved， which was confirmed by the space-charge-limit current（SCLC） measurements.

Key words: Beta-alanine, Additive, Dual-modification, Transporting layer, Organic solar cell

CLC Number:

O647.2

TrendMD:

ZAFAR Saud uz, ZHANG Weichao, YANG Shuo, LI Shilin, ZHANG Yingyu, ZHANG Yuan, ZHANG Hong, ZHOU Huiqiong. Beta-alanine as a Dual Modification Additive in Organic Solar Cells[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2023, 44(9): 20230185.

Figures/Tables 6

Fig.1 Chemical structures of β⁃alanine(A), PEDOT∶PSS(B) and PFN⁃Br(C), schematic illustration of mixing both transporting layers with β⁃alanine(D), schematic device structure representation of OSCs(E)

Table 1 Photovoltaic parameters of the conventional architecture of OSCs based on PM6∶Y6 system with pristine PEDOT∶PSS, PFN∶Br and modified versions with β ⁃alanine(A⁃PEDOT∶PSS and A⁃PFN⁃Br) a

BHJ System PM6∶Y6	HTL/ETL	V_OC/V	J_SC/（mA·cm^‒2）	FF（%）	PCE ^b （%）
Control	PEDOT∶PSS/PFN⁃Br	0.821	24.52	74.43	14.99
A⁃PEDOT∶PSS	With PFN⁃Br	0.829	25.35	73.96	15.56
A⁃PFN⁃Br	With PEDOT∶PSS	0.827	25.91	73.39	15.65
Both	A⁃PEDOT∶PSS/A⁃PFN⁃Br	0.828	26.00	73.67	15.78

Fig.2 Current density versus voltage(J⁃V) curves of PM6∶Y6 active layer using different ETL and HTL modified layers(control, A⁃PEDOT∶PSS, A⁃PFN⁃Br and both)(A), dark J⁃V characteristics of various devices(B) and EQE spectra for PEDOT∶PSS and A⁃PEDOT∶PSS(C) and for PFN⁃Br and A⁃PFN⁃Br(D)（A） The inset picture is a zoom-in on the curves.

Fig.3 SCLC carrier mobility graphs for hole transporting layers PEDOT∶PSS(A), electron transporting layer PFN⁃Br(B), modified HTL(A⁃PEDOT∶PSS)(C) and modified ETL(A⁃PFN⁃Br)(D)Insets are device architecture structures.

Fig.4 FTIR analysis of PEDOT∶PSS with different percentages of β⁃alanine(A), FTIR of pristine PEDOT∶PSS(a) and PEDOT∶PSS with 2.0 mg of β⁃alanine(b)(B), UV⁃Vis absorption of PEDOT∶PSS and A⁃PEDOT∶PSS(C), UV⁃Vis absorption of PFN⁃Br and A⁃PFN⁃Br(D), transmittance of PEDOT∶PSS and A⁃PEDOT∶PSS(E) and transmittance of PFN⁃Br and A⁃PFN⁃Br(F), the normalized stability graph of different devices(G)

Fig.5 AFM images of PEDOT∶PSS height(A), phase(B) and A⁃PEDOT∶PSS height(C) and phase(D), PFN⁃Br height(E), phase(F), A⁃PFN⁃Br height(G), phase(H), the contact angle(water) of PEDOT∶PSS, A⁃PEDOT∶PSS(I) and PFN⁃Br and A⁃PFN⁃Br(J)

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