Cooperative Effect of Solvent Additive and Solvent Vapor Annealing on High-performance Thick-film Organic Solar Cells

doi:10.7503/cjcu20230162

Abstract

Abstract:

The solvent additive 1-naphthalene（CN） and carbon disulfide（CS₂） solvent vapor annealing（SVA） were cooperatively used to optimize the thick-film active layer morphology based on the narrow band-gap small acceptors. The regulation mechanism of this strategy on the blend film morphology was revealed， and the effect of the strategy on the carrier dynamics as well as the photovoltaic performance of the device was investigated. The results show that the additive CN can effectively promote the crystallization and aggregation of the acceptor materials， and CS₂ solvent vapor annealing can further improve the molecular stacking properties of donor/acceptor materials， reduce the surface roughness of the blend film， and thus obtain good nano-scale phase separation morphology. Therefore， the charge transport and recombination properties of PM6∶Y6-based thick-film（300 nm） devices are effectively improved， thus obtaining the power conversion efficiency（PCE） of 15.23%， which is significantly higher than that of devices without additive treatment（PCE=11.75%） and CN-treated devices（PCE=13.48%）. Moreover， this strategy can also be used to optimize the PTQ10∶m-BTP-PhC6-based blend film morphology， and improve the photovoltaic performance of the devices from 13.22% to 16.92%.

Key words: Organic solar cell, Thick-film device, Active layer morphology, Solvent additive, Solvent vapor annealing

CLC Number:

O631

TrendMD:

YANG Hang, FAN Chenling, CUI Naizhe, LI Xiaoxiao, ZHANG Wenjing, CUI Chaohua. Cooperative Effect of Solvent Additive and Solvent Vapor Annealing on High-performance Thick-film Organic Solar Cells[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2023, 44(9): 20230162.

Figures/Tables 9

References 35

1	Fukuda K.， Yu K.， Someya T.， Adv. Energy Mater.， 2020， 10（25）， 2000765
2	Cui C.， Acta Polym. Sin.， 2021， 52（6）， 663—678
3	Li Y.， Acc Chem. Res.， 2012， 45（5）， 723—733
4	Yang H.， Cui C.， Energy Rev.， 2022， 1（2）， 100008
5	Yuan J.， Zhang Y.， Zhou L.， Zhang G.， Yip H. L.， Lau T. K.， Lu X.， Zhu C.， Peng H.， Johnson P. A.， Leclerc M.， Cao Y.， Ulanski J.， Li Y.， Zou Y.， Joule， 2019， 3（4）， 1140—1151
6	Chong K.， Xu X.， Meng H.， Xue J.， Yu L.， Ma W.， Peng Q.， Adv. Mater.， 2022， 34（13）， 2109516
7	Cui Y.， Xu Y.， Yao H.， Bi P.， Hong L.， Zhang J.， Zu Y.， Zhang T.， Qin J.， Ren J.， Chen Z.， He C.， Hao X.， Wei Z.， Hou J.， Adv. Mater.， 2021， 33（41）， 2102420
8	Zheng Z.， Wang J.， Bi P.， Ren J.， Wang Y.， Yang Y.， Liu X.， Zhang S.， Hou J.， Joule， 2022， 6（1）， 171—184
9	Wei Y.， Chen Z.， Lu G.， Yu N.， Li C.， Gao J.， Gu X.， Hao X.， Lu G.， Tang Z.， Zhang J.， Wei Z.， Zhang X.， Huang H.， Adv. Mater.， 2022， 34（33）， 2204718
10	Gao J.， Wang J.， Xu C.， Hu Z.， Ma X.， Zhang X.， Niu L.， Zhang J.， Zhang F.， Sol. RRL， 2020， 4（11）， 2000364
11	Camaioni N.， Carbonera C.， Ciammaruchi L.， Corso G.， Mwaura J.， Po R.， Tinti F.， Adv. Mater.， 2023， 35（8）， 2210146
12	Chang Y.， Zhu X.， Lu K.， Wei Z.， J. Mater. Chem. A， 2021， 9（6）， 3125—3150
13	Duan C.， Huang F.， Cao Y.， Polym. Chem⁃uk.， 2015， 6（47）， 8081—8098
14	Duan C.， Furlan A.， Van Franeker J. J.， Willems R. E. M.， Wienk M. M.， Janssen R. A. J.， Adv. Mater.， 2015， 27（30）， 4461—4468
15	Duan C.， Gao K.， Colberts F. J. M.， Liu F.， Meskers S. C. J.， Wienk M. M.， Janssen R. A. J.， Adv. Energy Mater.， 2017， 7（19）， 1700519
16	Duan C.， Peng Z.， Colberts F. J. M.， Pang S.， Ye L.， Awartani O. M.， Hendriks K. H.， Ade H.， Wienk M. M.， Janssen R. A. J.， ACS Appl. Mater. Interfaces， 2019， 11（11）， 10794—10800
17	Cai Y.， Li Q.， Lu G.， Ryu H. S.， Li Y.， Jin H.， Chen Z.， Tang Z.， Lu G.， Hao X.， Woo H. Y.， Zhang C.， Sun Y.， Nat. Commun.， 2022， 13（1）， 2369
18	Zhan L.， Li S.， Lau T. K.， Cui Y.， Lu X.， Shi M.， Li C. Z.， Li H.， Hou J.， Chen H.， Energy Environ. Sci.， 2020， 13（2）， 635—645
19	Zhao F.， He D.， Zou C.， Li Y.， Wang K.， Zhang J.， Yang S.， Tu Y.， Wang C.， Lin Y.， Adv. Mater.， 2022， 35（9）， 2210463
20	Yang H.， Bao S.， Cui N.， Fan H.， Hu K.， Cui C.， Li Y.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2023， 62（6）， e202216338
21	Wu J.， Cha H.， Du T.， Dong Y.， Xu W.， Lin C. T.， Durrant J. R.， Adv. Mater.， 2022， 34（2）， 2101833
22	Cui C.， Li Y.， Aggregate， 2021， 2（2）， e31
23	Zhao F.， Wang C.， Zhan X.， Adv. Energy Mater.， 2018， 8（28）， 1703147
24	Yoon S.， Shin E. Y.， Cho N. K.， Park S.， Woo H. Y.， Son H. J.， J. Mater. Chem. A， 2021， 9（44）， 24729—24758
25	Bao S.， Yang H.， Fan H.， Zhang J.， Wei Z.， Cui C.， Li Y.， Adv. Mater.， 2021， 33（48）， 2105301
26	Liang Q.， Li W.， Lu H.， Yu Z.， Zhang X.， Dong Q.， Song C.， Miao Z.， Liu J.， ACS Appl. Energy Mater.， 2023， 6（1）， 31—50
27	Jiang M.， Bai H. R.， Zhi H. F.， Sun J. K.， Wang J. L.， Zhang F.， An Q.， ACS Energy Lett.， 2021， 6（8）， 2898—2906
28	Zhang M.， Guo X.， Ma W.， Ade H.， Hou J.， Adv. Mater.， 2015， 27（31）， 4655—4660
29	Sun C.， Pan F.， Bin H.， Zhang J.， Xue L.， Qiu B.， Wei Z.， Zhang Z. G.， Li Y.， Nat. Commun.， 2018， 9（1）， 743
30	Ge J.， Hong L.， Song W.， Xie L.， Zhang J.， Chen Z.， Yu K.， Peng R.， Zhang X.， Ge Z.， Adv. Energy Mater.， 2021， 11（22）， 2100800
31	Xu T.， Lv J.， Chen Z.， Luo Z.， Zhang G.， Liu H.， Huang H.， Hu D.， Lu X.， Lu S.， Yang C.， Adv. Funct. Mater.， 2023， 33（1）， 2210549
32	Koster L. J. A.， Mihailetchi V. D.， Blom P. W. M.， Appl. Phys. Lett.， 2006， 88（5）， 052104
33	Zhang J.， Bai F.， Angunawela I.， Xu X.， Luo S.， Li C.， Chai G.， Yu H.， Chen Y.， Hu H.， Ma Z.， Ade H.， Yan H.， Adv. Energy Mater.， 2021， 11（47）， 2102596
34	Koster L. J. A.， Mihailetchi V. D.， Ramaker R.， Blom P. W. M.， Appl. Phys. Lett.， 2005， 86（12）， 123509
35	Schilinsky P.， Waldauf C.， Brabec C. J.， Appl. Phys. Lett.， 2002， 81（20）， 3885—3887

Treatment	V_OC/V	J_SC/（mA·cm^-2）	FF	PCE（%）	Thickness/nm
W/O	0.849（0.849±0.003）	26.07（25.87±0.29）	0.530（0.522±0.012）	11.75（11.48±0.22）	302（300±10）
0.75%CN	0.834（0.833±0.001）	27.18（27.12±0.11）	0.594（0.591±0.004）	13.48（13.26±0.08）	300（302±5）
0.75%CN+SVA	0.825（0.823±0.003）	28.55（28.33±0.17）	0.645（0.644±0.009）	15.23（15.04±0.21）	293（297±8）

Treatment	V_OC/V	J_SC/（mA·cm^-2）	FF	PCE（%）	Thickness/nm
W/O	0.849（0.849±0.003）	26.07（25.87±0.29）	0.530（0.522±0.012）	11.75（11.48±0.22）	302（300±10）
0.75%CN	0.834（0.833±0.001）	27.18（27.12±0.11）	0.594（0.591±0.004）	13.48（13.26±0.08）	300（302±5）
0.75%CN+SVA	0.825（0.823±0.003）	28.55（28.33±0.17）	0.645（0.644±0.009）	15.23（15.04±0.21）	293（297±8）

SVA time/min	V_OC/V	J_SC/（mA·cm^-2）	FF	PCE（%）	Thickness/nm
0.5	0.827（0.827±0.001）	25.08（25.00±0.08）	0.611（0.607±0.005）	12.66（12.53±0.14）	302（304±6）
1	0.822（0.821±0.001）	25.57（25.50±0.15）	0.625（0.619±0.005）	13.12（12.94±0.12）	296（298±6）
2	0.821（0.820±0.001）	25.99（25.89±0.10）	0.634（0.632±0.006）	13.51（13.39±0.14）	298（300±5）
3	0.813（0.813±0.003）	25.93（25.70±0.50）	0.638（0.634±0.007）	13.44（13.21±0.21）	306（301±3）

SVA time/min	V_OC/V	J_SC/（mA·cm^-2）	FF	PCE（%）	Thickness/nm
0.5	0.827（0.827±0.001）	25.08（25.00±0.08）	0.611（0.607±0.005）	12.66（12.53±0.14）	302（304±6）
1	0.822（0.821±0.001）	25.57（25.50±0.15）	0.625（0.619±0.005）	13.12（12.94±0.12）	296（298±6）
2	0.821（0.820±0.001）	25.99（25.89±0.10）	0.634（0.632±0.006）	13.51（13.39±0.14）	298（300±5）
3	0.813（0.813±0.003）	25.93（25.70±0.50）	0.638（0.634±0.007）	13.44（13.21±0.21）	306（301±3）

Treatment	V_OC/V	J_SC/（mA·cm^-2）	FF	PCE（%）	Thickness/nm
W/O	0.860（0.860±0.005）	25.37（25.18±0.22）	0.608（0.605±0.010）	13.22（13.07±0.14）	300（300±8）
1%CN	0.851（0.848±0.003）	27.18（27.04±0.13）	0.697（0.692±0.009）	16.11（15.85±0.21）	303（300±10）
1%CN+SVA	0.851（0.849±0.003）	28.03（27.90±0.14）	0.710（0.704±0.005）	16.92（16.66±0.13）	308（303±7）