Importance of Electric-Field-Independent Mobilities in Thick-Film Organic Solar Cells

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作者
Carr Hoi Yi Ho,Yusen Pei,Yunpeng Qin,Chujun Zhang,Zhengxing Peng,Indunil Angunawela,Austin L. Jones,Hang Yin,Hamna F. Iqbal,John R. Reynolds,Kenan Gündoğdu,Harald Ade,Shu Kong So,Franky So
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:14 (42): 47961-47970 被引量:11
标识
DOI:10.1021/acsami.2c11265
摘要

In organic solar cells (OSCs), a thick active layer usually yields a higher photocurrent with broader optical absorption than a thin active layer. In fact, a ∼300 nm thick active layer is more compatible with large-area processing methods and theoretically should be a better spot for efficiency optimization. However, the bottleneck of developing high-efficiency thick-film OSCs is the loss in fill factor (FF). The origin of the FF loss is not clearly understood, and there a direct method to identify photoactive materials for high-efficiency thick-film OSCs is lacking. Here, we demonstrate that the mobility field-dependent coefficient is an important parameter directly determining the FF loss in thick-film OSCs. Simulation results based on the drift-diffusion model reveal that a mobility field-dependent coefficient smaller than 10-3 (V/cm)-1/2 is required to maintain a good FF in thick-film devices. To confirm our simulation results, we studied the performance of two ternary bulk heterojunction (BHJ) blends, PTQ10:N3:PC71BM and PM6:N3:PC71BM. We found that the PTQ10 blend film has weaker field-dependent mobilities, giving rise to a more balanced electron-hole transport at low fields. While both the PM6 blend and PTQ10 blend yield good performance in thin-film devices (∼100 nm), only the PTQ10 blend can retain a FF = 74% with an active layer thickness of up to 300 nm. Combining the benefits of a higher JSC in thick-film devices, we achieved a PCE of 16.8% in a 300 nm thick PTQ10:N3:PC71BM OSC. Such a high FF in the thick-film PTQ10 blend is also consistent with the observation of lower charge recombination from light-intensity-dependent measurements and lower energetic disorder observed in photothermal deflection spectroscopy.
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