Glass-forming ternary blends: towards stable Polymer Solar Cells
Doktorsavhandling, 2017

The globally increasing use of electricity goes hand in hand with climate change and the gradual depletion of fossil sources of fuel. To address these challenges renewable sources of energy are in high demand. Solution-processable organic solar cells receive particular attention because they promise to combine a set of highly attractive features including low manufacturing cost through large-area and continuous printing, as well as low weight, flexibility and semitransparency. The stability of the light-harvesting organic photovoltaic materials, which typically consist of a finely mixed blend of an electron donor and acceptor, plays a key role in the development of efficient and durable organic solar cells. One essential condition for both high-yield production and a long lifetime is excellent thermal stability. The organic photovoltaic material must be able to withstand high fabrication and operation temperatures. The aim of this thesis is to explore the use of ternary blends as a tool to improve the often insufficient thermal stability of organic photovoltaic materials. Ternary blends are a relatively new concept within the field of organic photovoltaics. This thesis focuses on blends of a donor polymer and a mixture of the two most common neat fullerenes, C60 and C70. Processing of the neat fullerene alloy is facilitated through a highly advantageous increase in solubility, which is found to correlate with the increase in entropy upon mixing. As a result, solar cells with a power conversion efficiency of 6 % are realized, a record for devices based on neat fullerenes. A high tendency for glass formation of polymer:C60:C70 ternary blends is found to induce a high degree of thermal stability due to a glass transition temperature in excess of 200°C. Vitrification of ternary blends is discussed in terms of the entropy of mixing, which reduces the rate of both crystal nucleation and growth. Finally, this thesis provides an overview of the current state-of-the-art, discussing both fullerene as well as fullerene-free ternary blends.

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fullerenes

ternary blends

thermal stability

Författare

Amaia Diaz de Zerio Mendaza

Chalmers, Kemi och kemiteknik, Tillämpad kemi, Polymerteknologi

El incremento global de la demanda de energía y el futuro agotamiento de los combustibles fósiles se une al cambio climático que sufrimos hoy en día debido a las emisiones de dióxido de carbono, creando un pronóstico difícil para la Humanidad. La alarma y la preocupación sobre esta temática han aumentado de manera exponencial en los últimos años, forzando instituciones y gobiernos de todo el mundo a concentrarse en el desarrollo de nuevas fuentes de energía, más limpias y sostenibles, como una necesidad inminente de la sociedad.

Actualmente, las celdas fotovoltaicas de polímeros, depositadas por vía de impresoras, están adquiriendo una gran relevancia. Este tipo de tecnología se basa en el uso de macromoléculas orgánicas derivadas de la petroquímica, cuyos procesos de fabricación emplean mucha menos energía que la utilizada para la producción de las células basadas en semiconductores minerales. Su coste por unidad es mucho menor, son más ligeras y menos frágiles. Su carácter flexible las hace adecuadas para la integración en cualquier superficie, incluso en fibras textiles. Su principal debilidad radica en el tiempo de vida limitado, debido a la degradación de los polímeros cuando son expuestos a la luz del sol o a elevadas temperaturas. A pesar de los avances en este campo, esfuerzos sostenidos desde varias disciplinas científicas serán necesarios para asegurar la comercialización de este tipo de tecnología.

El objetivo de esta tesis es el desarrollo de nuevas estrategias que ayuden a paliar de manera gradual la degradación térmica en el proceso de fabricación de celdas solares, de forma que los materiales orgánicos puedan resistir las altas temperaturas necesarias durante el proceso de producción (impresión) de las placas solares.

Ämneskategorier

Kemiska processer

Materialkemi

Energisystem

ISBN

978-91-7597-610-5

Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 4291

Utgivare

Chalmers tekniska högskola