Enhancement of the Power Conversion Efficiency of Organic Solar Cells by Surface Patterning of Azobenzene Thin Films

Abstract

In order for organic solar cells to take their place in the energy market and be a serious alternative to fossil fuels, their photon-to-electron power conversion efficiency must be improved. Efficiency enhancements of organic solar cells can potentially be achieved by increasing the amount of light absorbed by the active layer. Two solutions for increasing the light absorption in organic solar cells were explored in this thesis. The first solution consisted in using surface relief gratings on a Disperse Red 1 functionalized glass-forming azobenzene compound to couple the light by surface plasmon resonance in inverted organic solar cells. Technical difficulties in the fabrication of inverted solar cells prevented further research in this area. The second method used to increase the light absorption consisted in integrating patterned azobenzene thin films in organic solar cells to scatter the light, thus increasing the optical path of the light inside the active area. Azobenzene thin films were patterned with randomized nanostructures fabricated by corona poling or with crossed gratings inscribed via laser interference lithography. The patterned films were then bleached (or made transparent) and thermally stabilized by an ultraviolet exposure before being incorporated in P3HT:PC61BM and PTB7:PC61BM solar cells. The large size of the nanostructures created by corona poling caused a disadvantageous forward to total scattering ratio, resulting in a reduction of the solar cells’ efficiencies. However, the solar cells with the azobenzene thin films patterned by crossed gratings showed significant efficiency enhancements. Best results were achieved with root-mean-square roughness, Rq, and maximum roughness, Rqmax, of the azobenzene thin films of Rq⁄Rqmax =3.9 /41 nm and Rq⁄Rqmax =3.6/52 nm for P3HT:PC61BM and PTB7:PC61BM solar cells, respectively. The patterned azobenzene thin films resulted in marked increases in short-circuit current density and photon-to-electron conversion efficiency. Efficiency enhancements of 133%, from 1.37% to 3.19%, were observed for P3HT:PC61BM solar cells, while efficiency enhancements of 302%, from 0.53% to 2.13%, were observed for PTB7:PC61BM solar cells.

Pour que les cellules solaires organiques prennent leur place sur le marché de l’énergie et constituent une alternative sérieuse aux combustibles fossiles, leur efficacité de conversion de l’énergie lumineuse à électrique doit être améliorée. Il est potentiellement possible d’améliorer l’efficacité des cellules solaires organiques en augmentant la quantité de lumière absorbée par la couche active. Deux solutions pour augmenter l'absorption de la lumière dans les cellules solaires organiques ont été explorées dans cette thèse. La première solution consistait à utiliser des réseaux de diffraction sur un composé d’azobenzène de verre moléculaire Disperse Red 1 pour coupler la lumière par résonance de plasmon de surface dans des cellules solaires organiques inversées. Des difficultés techniques dans la fabrication de ces cellules solaires inversées ont empêché la poursuite des recherches dans ce domaine. La deuxième méthode utilisée pour augmenter l'absorption de la lumière consistait à intégrer des minces couches nano-structurées d'azobenzène dans des cellules solaires organiques afin de disperser la lumière, augmentant ainsi le parcours optique de la lumière dans la couche active. Des couches minces d'azobenzène ont été structurées avec des nanostructures aléatoires fabriquées par effet corona ou avec des réseaux de diffraction croisés inscrits via une lithographie d’interférence au laser. Les films structurés ont ensuite été décolorés et stabilisés thermiquement par une exposition aux rayons ultraviolets avant d'être incorporés dans des cellules solaires P3HT:PC61BM et PTB7:PC61BM. Les grandes tailles des nanostructures créées par l’effet corona ont entraîné un rapport défavorable de diffusion direct par rapport à la diffusion totale, ce qui a entraîné une réduction de l'efficacité des cellules solaires. Cependant, les cellules solaires avec les couches minces d'azobenzène structurées par des réseaux croisés ont montré des améliorations d'efficacité significatives. Les meilleurs résultats ont été obtenus avec une rugosité quadratique moyenne, Rq, et une rugosité maximale, Rqmax, des couches minces d'azobenzène de Rq⁄Rqmax = 3,9/41 nm et Rq⁄Rqmax = 3,6/52 nm pour les cellules solaires P3HT:PC61BM et PTB7:PC61BM, respectivement. Les couches minces d'azobenzène structurées ont entraîné une augmentation marquée de la densité de courant de court-circuit et de l’efficacité de conversion des photons en électrons. Une augmentation de l’efficacité de 133%, de 1,37% à 3,19%, a été observée pour les cellules solaires P3HT:PC61BM, tandis qu'une augmentation de l’efficacité de 302%, de 0,53% à 2,13%, a été observée pour les cellules solaires PTB7: PC61BM.