Roll‐Coated Fabrication of Fullerene‐Free Organic Solar Cells with Improved Stability

• DOI: 10.1002/advs.201500096
• Publication Date: 2015-04-28T11:58:57Z
• Authors: Pei Cheng; Huitao Bai; Natalia K. Zawacka; Thomas R. Andersen; Wenqing Liu; Eva Bundgaard; Mikkel Jørgensen; Hongzheng Chen; Frederik C. Krebs; Xiaowei Zhan
• Keywords: Composite material; Polymers and Plastics; Photochemistry; Perovskite Solar Cell Technology; Materials Science; Photovoltaic Cells; Electron acceptor; Organic chemistry; Conducting Polymer Research; Photoactive layer; 01 natural sciences; 7. Clean energy; Acceptor; HOMO/LUMO; Engineering; Chemical engineering; Fullerene; FOS: Electrical engineering, electronic engineering, information engineering; Nanotechnology; Thin film; Electrical and Electronic Engineering; Optoelectronics; Polymer; FOS: Chemical engineering; Organic Electronics; FOS: Nanotechnology; Physics; Molecule; Indium tin oxide; High-Efficiency Solar Cells; Condensed matter physics; Communications; Organic Solar Cell Technology; Materials science; 0104 chemical sciences; Chemistry; Organic solar cell; Polymer solar cell; Physical Sciences; Energy conversion efficiency; Perovskite Solar Cells; Hybrid solar cell

يتم تصنيع مساحة كبيرة وخلايا شمسية عضوية خالية من الفوليرين مع استقرار وكفاءة محسنة تصل إلى 1 ٪ من خلال عملية طلاء اللف على ركائز خالية من أكسيد قصدير الإنديوم ومرنة، في ظل الظروف المحيطة. تعد الخلية الشمسية واحدة من أفضل المرشحين للطاقة النظيفة والتنمية المستدامة. على وجه الخصوص، تعد الخلايا الشمسية العضوية غير المتجانسة (BHJ) واعدة بسبب بعض المزايا، مثل التحضير البسيط، والتكلفة المنخفضة، والوزن الخفيف، والتصنيع المرن للمساحة الكبيرة. كان هذا هو محور البحث في العقد الماضي .1-6 في الوقت الحاضر، تستخدم مشتقات الفوليرين (عادة PC61BM و PC71BM) على نطاق واسع كمستقبلات للإلكترونات في OSCs بسبب نقل الشحنة المستحثة ضوئيًا فائق السرعة في واجهات المانح/المتقبل (D/A)، 7 تنقل الإلكترون العالي، 8 والقدرة الجيدة على تشكيل شبكات نانوية مواتية مع مواد مانحة .9 أظهرت OSCs BHJ بناءً على شبكات متداخلة من البوليمرات شبه الموصلة ومشتقات الفوليرين أفضل أداء مع كفاءات تحويل الطاقة (PCEs) التي تتجاوز 11 ٪.10 ومع ذلك، هناك بعض القيود على مشتقات الفوليرين، مثل أدنى مستوى طاقة جزيئي أو مداري غير مشغول (LUMO) منخفض نسبيًا (≈ -3.91 eV11) مما يؤدي إلى فقدان جهد الدائرة المفتوحة (VOC)، والامتصاص في المنطقة المرئية، والتكلفة العالية نسبيًا، 12 والتجمع السهل، مما يقلل من استقرار الأجهزة على المدى الطويل .13 خالية من Fle - OSCs (FUMO)، تتكون من 14-20 من جزيء أو جزيء متعدد الجزيئات أو جزيء صغير كجزيء متبرع. بالمقارنة مع متقبلات الفوليرين، تقدم المتقبلات غير الكاملة بعض المزايا، مثل الامتصاص الواسع والقوي، ومستويات طاقة الكائنات الحية المحورة القابلة للتعديل، والاستقرار طويل الأجل. في السنوات الأخيرة، تطورت FF - OSCs بسرعة 21-42 وحققت PCEs بنسبة تصل إلى 6.8 ٪.25 على الرغم من أن FF - OSCs يحتمل أن يكون لها مستقبل مشرق، مقارنة بـ FF - OSCs القائمة على الفوليرين، إلا أنها لا تزال بعيدة عن التصنيع الصناعي. يمكن تصنيع OSCs القائمة على الفوليرين على مساحة كبيرة (أكثر من 1 سم 2)، 43، 44 مع ركائز مرنة، 45، 46 بدون أقطاب شفافة باهظة الثمن مثل أكسيد قصدير الإنديوم (ITO)، 47، 48 بدون أقطاب تبخر الفراغ، 49، 50 وتحت الظروف المحيطة دون حماية النيتروجين. 51، 52 ومع ذلك، فإن جميع FF - OSCs المبلغ عنها تقريبًا كانت مساحة صغيرة (أقل من 0.15 سم 2) على ركائز ITO/الزجاج، مع أقطاب تبخر الفراغ وحماية النيتروجين. 21-30، 35-38 يعد تصنيع Roll - to - roll (R2R) طريقة واعدة لتصنيع OSCs. نظرًا للسرعة العالية في إنتاج OSCs كبيرة المساحة ومرنة ومستقرة مع ظروف خالية من ITO وخالية من التفريغ والبيئة المحيطة، قد يكون لدى R2R إمكانات للتصنيع الصناعي لـ FF - OSCs. ومع ذلك، حتى الآن، تمت دراسة تصنيع FF - OSCs من خلال عملية طلاء الأسطوانة قليلاً .56-58 في هذا العمل، نقوم بالإبلاغ عن FF - OSCs بناءً على جزيء صغير غير متقبل للفوليرين تم تصنيعه بواسطة عملية طلاء الأسطوانة. يظهر هيكل FF - OSCs المقلوب في الشكل 1 أ. تتكون الطبقة النشطة من متبرع بالبوليمر PBDTTT - C - T59 ومتقبل غير فوليرين DC - IDT2T (الشكل 1 ب).30 بعد تحسين مورفولوجيا الطبقة النشطة في الأجهزة المطلية باللف باستخدام مذيبات معالجة مختلفة وتلدين حراري، تم تحقيق أفضل PCE بنسبة 1.019 ٪ بمساحة جهاز كبيرة (1 سم 2) وركائز مرنة وخالية من ITO وخالية من التفريغ والتحضير في ظل الظروف المحيطة. علاوة على ذلك، بالنسبة لأجهزة التحكم المستندة إلى PC71BM، أظهرت FF - OSCs ثباتًا أفضل بكثير. تم إنتاج FF - OSCs هذه عن طريق الطباعة الفلكسوغرافية وطلاء قوالب الفتحات على طبقة لفة صغيرة على نطاق المختبر. 60 تم طباعة شبكات الأصابع الفضية (Ag) (الطبقات السفلية والعلوية) باستخدام الطباعة المرنة بواسطة أسطوانة مطاطية منقوشة بينما تم تصنيع جميع الطبقات الأخرى بواسطة طلاء قوالب الفتحات. 50 كما هو موضح في الشكل 2 أ، تتكون الركيزة المرنة من طبقة دعم بولي(إيثيل نتيريفثالات) (PET)، 61 شبكات أصابع Ag، طبقة موصلة (بولي(3،4 - إيثيلين ديوكسي ثيوفين):بولي (ستيرين سلفونات)، PEDOT:PSS PH1000)، وطبقة نقل الإلكترون أكسيد الزنك (ZNO). تم نقل المواد المانحة للبوليمر المحتوية على الحبر والمواد المستقبلة غير الفوليرين من حاوية خارجية عبر مضخة إلى رأس الفتحة. تم تحديد عرض الطلاء من خلال عرض الفتحة السفلية للرأس، والتي يتدفق من خلالها الحبر على الركيزة المتحركة. تم توجيه سمك الطلاء من خلال معدل تدفق الحبر وسرعة الحركة للركيزة. 52 قمنا بإعداد أحبار المواد النشطة، التي تضم مزيجًا من متبرع البوليمر PBDTTT - C - T ومتقبل الإلكترون الصغير DC - IDT2T، باستخدام مذيبات معالجة مختلفة ونسب متبرع/متقبل (D/A) مختلفة، وكان لجميع المحاليل نفس التركيز البالغ 27 مجم ملليلتر-1 في المجموع. تم طلاء الحبر على أربعة خطوط على ركيزة PET مرنة، ومطلية مسبقًا بـ ZnO على PEDOT عالي التوصيل:PSS PH1000 خطوط كاثودية (الشكل 2 ب). تم إجراء الطلاء عند 60 درجة مئوية بسرعة ويب 0.65 م دقيقة-1، مما يوفر سمكًا رطبًا في حدود 7–14 ميكرومتر. PEDOT الخلفي: تم طلاء طبقة PSS EL - P5010 بفتحة على الطبقة النشطة مع إزاحة أخرى قدرها 1 مم (لمنع تقصير الجهاز) (الشكل 2 ج). تم إجراء الطلاء عند 60 درجة مئوية بسرعة ويب 0.8 م دقيقة-1، مما يوفر سمكًا رطبًا في حدود 150 ميكرومتر. تم وضع تركيبة الحبر والطلاء في الهواء المحيط، مع الحفاظ على الأسطوانة عند 60 درجة مئوية لتسهيل تجفيف الأغشية لأكثر من 45 دقيقة. تم تطبيق أقطاب AG عن طريق الطباعة الفلكسوغرافية لمعجون Ag المعالج بالحرارة. تمت إضافة عجينة Ag إلى اللفة الفلكسوغرافية ونقلها إلى الركيزة بسرعة ويب تبلغ 0.8 م دقيقة-1 ودرجة حرارة اللفة 60 درجة مئوية (الشكل 2 د). أخيرًا، تم استخدام التلدين الحراري للأجهزة عند 120 درجة مئوية لمدة دقيقة أو دقيقتين. ثم تم تقسيم الخلايا الشمسية المكتملة (الشكل 2 هـ) إلى حوالي320 خلية فردية لكل منها منطقة نشطة تبلغ 0.9–1.1 سم 2. تم تصنيع FF - OSCs ذات الهيكل المقلوب بواسطة مذيب معالجة متغير، ونسبة وزن D/A، وسمك رطب للطبقة النشطة ووقت التلدين الحراري. تظهر منحنيات J - V لـ FF - OSCs مع نسبة وزن D/A مختلفة، وسمك رطب للطبقة النشطة، ووقت التلدين الحراري في الأشكال S1 و S2 و S3 من المعلومات الداعمة، على التوالي. يلخص الجدول S1، المعلومات الداعمة، متوسط وأفضل بيانات الجهاز لـ FF - OSCs في ظل ظروف الجهاز المختلفة. كانت ظروف الجهاز المثلى هي نسبة الوزن D/A البالغة 1:1.25، والسماكة الرطبة للطبقة النشطة البالغة 9 ميكرومتر، والتلدين الحراري عند 120 درجة مئوية لمدة دقيقة واحدة. يوضح الشكل 3 أ،ب أطياف J - V والكفاءة الكمومية الخارجية (EQE) لـ FF - OSCs مع مذيب معالجة مختلف (الكلوروفورم (CF) ؛ o - xylene ؛ الكلوروبنزين (CB)، وثنائي كلورو البنزين (DCB)) والتلدين الحراري في ظل ظروف الجهاز الأمثل. يوضح الشكل 3 ج صورة التيار المستحث بحزمة الضوء (LBIC) لـ FF - OSCs (المذيب: CB). LBIC هي تقنية رسم خرائط ثنائية الأبعاد راسخة لتوصيف الخلايا الشمسية وحساب منطقة الجهاز. 62 أظهرت هذه الصورة بوضوح استجابة تيار جيدة على المنطقة النشطة بأكملها. يوضح الجدول 1 متوسط وأفضل خصائص الجهاز لـ FF - OSCs مع معالجة مختلفة للمذيبات والتلدين الحراري في ظل ظروف الجهاز المحسنة. أثر مذيب المعالجة بشدة على المركبات العضوية المتطايرة وكثافة تيار الدائرة القصيرة وعامل التعبئة. كانت المركبات العضوية المتطايرة للأجهزة المعالجة بالمذيبات CF و DCB و CB متشابهة وأعلى بكثير من تلك الخاصة بالأجهزة المعالجة بـ o - xylene. كان FF للأجهزة التي تمت معالجتها باستخدام CF و CB أعلى من أجهزة معالجة o - xylene و DCB. كانت الأجهزة التي تمت معالجتها باستخدام CB تحتوي على JSC و PCE أعلى ؛ كان متوسط VOC و JSC و FF و PCE لهذه الأجهزة 0.7748 فولت و 2.847 مللي أمبير سم-2 و 37.22 ٪ و 0.821 ٪ على التوالي. أدى التلدين الحراري إلى تحسين الأداء في FF - OSCs. أظهرت الخلايا الشمسية أفضل أداء بعد التلدين الحراري عند 120 درجة مئوية لمدة دقيقة واحدة ؛ ارتفع متوسط المركبات العضوية المتطايرة من 0.7748 إلى 0.7983 فولت، وارتفع متوسط JSC من 2.847 إلى 3.086 مللي أمبير سم-2، وارتفع متوسط FF من 37.22 ٪ إلى 40.11 ٪، وارتفع متوسط PCE من 0.821 ٪ إلى 0.988 ٪. كان أفضل PCE لهذه الأجهزة 1.019 ٪. كما هو موضح في الشكل 3 ب، كان اتجاه EQE مشابهًا لاتجاه JSC. لتقييم دقة النتائج الكهروضوئية، تم حساب قيم JSC من دمج أطياف EQE مع الطيف المرجعي AM 1.5G. كانت JSC المحسوبة مماثلة لقياس J - V (كان متوسط الخطأ 3.2 ٪، الجدول 1). يوضح الشكل 4 ارتفاع مجهر القوة الذرية (AFM) وصور الطور لأغشية مزيج PBDTTT - C - T: DC - IDT2T مع مذيبات معالجة مختلفة وتلدين حراري. أظهرت أغشية المزيج ذات المذيبات المعالجة المختلفة بنية عنقودية نموذجية مع العديد من المجالات المجمعة وخشونة جذر متوسط المربع (RMS) تبلغ 3.21 نانومتر (DCB، الشكل 4 أ)، 2.29 نانومتر (CF، الشكل 4 ج)، و 1.64 نانومتر (CB، الشكل 4 هـ)، على التوالي. أصبحت الأغشية أكثر سلاسة وانخفضت خشونة RMS من 1.64 إلى 1.23 نانومتر بعد التلدين الحراري (الشكل 4 ز). تمت ملاحظة التشكل الأكثر اتساقًا وسلاسة للأغشية المخلوطة PBDTTT - C - T: DC - IDT2T مع فصل الطور المناسب باستخدام CB والتلدين الحراري، والذي كان مسؤولاً عن تحسين JSC و PCE. لم تكن الأغشية المخلوطة التي تمت معالجتها بواسطة o - xylene موحدة مع التجميع الكبير (الشكل S4، المعلومات الداعمة). الصفات الرئيسية الثلاث التي يجب أن تمتلكها الخلية الشمسية هي الكفاءة العالية وسهولة التصنيع والاستقرار الجيد. كما هو موضح في الشكل 5، قمنا بقياس استقرار أجهزة PBDTTT - C - T/DC - IDT2T (المعالجة بواسطة مذيب CB والتلدين عند 120 درجة مئوية لمدة دقيقة واحدة) وأجهزة PBDTTT - C - T/PC71BM (المعالجة بواسطة مذيب DCB و 5 ٪ DIO) في الهواء تحت إضاءة AM1.5G المستمرة لمدة 180 ساعة. انخفض PCE للجهاز المستند إلى PC71BM بسرعة أكبر من الجهاز المستند إلى متقبل غير كامل. أظهر جهاز البوليمر/غير الفوليرين ثباتًا أفضل بكثير (الحفاظ على 85 ٪ من مادة PCE بعد 180 ساعة) بالنسبة لجهاز البوليمر/الفوليرين (الحفاظ على 50 ٪ من مادة PCE بعد 180 ساعة). يوضح الشكل 6 صور المجهر البصري لأفلام PBDTTT - C - T/DC - IDT2T وأفلام PBDTTT - C - T/PC71BM قبل وبعد اختبار الثبات لمدة 180 ساعة. لم يتغير مظهر فيلم PBDTTT - C - T/DC - IDT2T، في حين لوحظت بوضوح بعض النقاط السوداء (حوالي10 ميكرومتر) في فيلم PBDTTT - C - T/PC71BM بعد اختبار الثبات لمدة 180 ساعة، مما قلل من PCE. يوضح الشكل 7 صور LBIC لأفلام PBDTTT - C - T/DC - IDT2T وأفلام PBDTTT - C - T/PC71BM قبل وبعد اختبار الثبات لمدة 180 ساعة. يمكن ترجمة قيم التيار المقاسة لكل نقطة إلى مقياس لألوان مختلفة وتمثيلها كخريطة توضح مناطق استجابة التيار المرتفع والمنخفض للضوء الساقط. 62 بعد اختبار الثبات لمدة 180 ساعة، تغيرت صور LBIC لأفلام PBDTTT - C - T/DC - IDT2T قليلاً، مما يعني فقدانًا طفيفًا للتيار أثناء اختبار الثبات (الشكل 7 أ،ب). على العكس من ذلك، أصبح لون صور LBIC لأفلام PBDTTT - C - T/PC71BM بعد اختبار الثبات لمدة 180 ساعة أغمق (الشكل 7 ج،د)، مما يعني فقدانًا كبيرًا للتيار. باختصار، نبلغ عن FF - OSCs بناءً على متبرع البوليمر PBDTTT - C - T ومستقبل الجزيء الصغير غير الكامل DC - IDT2T المصنوع بواسطة عملية طلاء اللف. أظهرت الخلايا الشمسية المصنعة باستخدام معالجة المذيبات CB والتلدين الحراري أفضل أداء بسبب السطح الموحد والسلس للغشاء المخلوط. تم تحقيق أفضل PCE بنسبة 1.019 ٪ مع مساحة جهاز كبيرة (1 سم 2)، وركائز مرنة، وخالية من ITO، وخالية من التفريغ، وظروف محيطة. أظهر الجهاز غير القائم على الفوليرين ثباتًا أفضل بكثير من جهاز التحكم القائم على الفوليرين. تُظهر نتائجنا الأولية أن مستقبلات الجزيئات الصغيرة غير الكاملة يمكن أن تكون واعدة للتصنيع الصناعي لـ OSCs عالية الأداء. يشكر المؤلفون NSFC (المنحة رقم 91433114 و 51261130582 و 21025418) وبرنامج 973 (2011CB808401) والأكاديمية الصينية للعلوم والمؤسسة الوطنية الدنماركية للبحوث للحصول على الدعم المالي، وقد تم تنفيذ هذا العمل في المركز الصيني الدنماركي للخلايا الكهروضوئية العضوية مع التحكم المورفولوجي. كخدمة لمؤلفينا وقرائنا، توفر هذه المجلة معلومات داعمة يقدمها المؤلفون. تخضع هذه المواد لمراجعة الأقران ويمكن إعادة تنظيمها للتسليم عبر الإنترنت، ولكنها ليست محررة أو منضدة. يجب توجيه قضايا الدعم الفني الناشئة عن المعلومات الداعمة (بخلاف الملفات المفقودة) إلى المؤلفين. يرجى ملاحظة: الناشر غير مسؤول عن محتوى أو وظائف أي معلومات داعمة يقدمها المؤلفون. يجب توجيه أي استفسارات (بخلاف المحتوى المفقود) إلى المؤلف المقابل للمقال.<br/>Large area, fullerene-free organic solar cells with improved stability and efficiency of up to 1% are fabricated by the roll-coating process on indium tin oxide free and flexible substrates, under ambient conditions. The solar cell is one of the best candidates for clean energy and sustainable development. Especially, the bulk heterojunction (BHJ) organic solar cells (OSCs) are promising because of some advantages, such as simple preparation, low cost, light weight, and large area flexible fabrication. This has been the focus of research in the past decade.1-6 Nowadays, fullerene derivatives (typically PC61BM and PC71BM) are widely used as electron acceptors in OSCs because of ultrafast photoinduced charge transfer at donor/acceptor (D/A) interfaces,7 high electron mobility,8 and good ability to form favorable nanoscale networks with donor materials.9 BHJ OSCs based on interpenetrating networks of semiconducting polymers and fullerene derivatives exhibited the best performance with power conversion efficiencies (PCEs) exceeding 11%.10 However, there are some limitations of fullerene derivatives, such as relatively low lowest unoccupied molecular orbital (LUMO) energy level (≈−3.91 eV11) which leads to loss of open circuit voltage (VOC), weak absorption in the visible region, relatively high cost,12 and easy aggregation, which reduces long-term stability of devices.13 Fullerene-free OSCs (FF-OSCs)9, 14-20 are composed of a p-type semiconducting polymer or small molecule as an electron donor and an n-type semiconducting nonfullerene polymer or small molecule as an electron acceptor. Compared with fullerene acceptors, nonfullerene acceptors present some advantages, such as broad and strong absorption, adjustable LUMO energy levels, and long-term stability. In recent years, FF-OSCs developed quickly21-42 and achieved PCEs of up to 6.8%.25 Although FF-OSCs potentially have a bright future, compared with fullerene based OSCs, they are still far away from industrial manufacture. Fullerene-based OSCs can be fabricated on large area (more than 1 cm2),43, 44 with flexible substrates,45, 46 without expensive transparent electrodes such as indium tin oxide (ITO),47, 48 without vacuum evaporated electrodes,49, 50 and under ambient conditions without nitrogen protection.51, 52 However, almost all FF-OSCs reported were small area (less than 0.15 cm2) on ITO/glass substrates, with vacuum evaporated electrodes and nitrogen protection.21-30, 35-38 Roll-to-roll (R2R) fabrication53-55 is a promising way to fabricate OSCs. Due to fast speed to produce large area, flexible and stable OSCs with ITO-free, vacuum-free, and ambient conditions, R2R may have potential for industrial manufacture of FF-OSCs. However, until now fabrication of FF-OSCs by the roll-coating process has been studied little.56-58 In this work, we report FF-OSCs based on a small molecule nonfullerene acceptor fabricated by the roll-coating process. The structure of inverted FF-OSCs is shown in Figure 1a. The active layer consisted of a polymer donor PBDTTT-C-T59 and a nonfullerene acceptor DC-IDT2T (Figure 1b).30 After optimization of morphology of the active layer in roll-coated devices by using different processing solvents and thermal annealing, the best PCE of 1.019% was achieved with a large device area (1 cm2), flexible substrates, ITO-free, vacuum-free, and preparation under ambient conditions. Moreover, relative to PC71BM-based control devices, the FF-OSCs exhibited much better stability. These FF-OSCs were produced by flexographic printing and slot-die coating on a lab-scale mini roll-coater.60 The silver (Ag) finger grids (bottom and top layers) were printed using flexo­graphic printing by a patterned rubber roller whereas all other layers were fabricated by slot-die coating.50 As shown in Figure 2a, the flexible substrate consisted of poly(ethyle­neterephthalate) (PET) support layer,61 Ag finger grids, conductive layer (poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly­(styrene­sulfonate), PEDOT:PSS PH1000), and electron transport layer zinc oxide (ZnO). The ink containing polymer donor and nonfullerene acceptor materials was transferred from an external container via a pump to the slot-die head. The coating width was defined by the width of the head's bottom slot, through which the ink flowed onto the moving substrate. The coating thickness was directed by the ink flow rate and moving speed of the substrate.52 We prepared active-material inks, comprising a blend of the polymer donor PBDTTT-C-T and the small mole­cule electron acceptor DC-IDT2T, using different processing solvents and different donor/acceptor (D/A) ratios, and all solutions had a same concentration of 27 mg mL−1 in total. The ink was roll-coated on four stripes on a flexible PET substrate, precoated with ZnO on high conductive PEDOT:PSS PH1000 cathodic stripes (Figure 2b). The coating was conducted at 60 °C with a web speed of 0.65 m min−1, affording a wet thickness in the range of 7–14 μm. The back PEDOT:PSS EL-P5010 layer was slot-die coated on the active layer with a further offset of 1 mm (to prevent shorting of the device) (Figure 2c). The coating was conducted at 60 °C with a web speed of 0.8 m min−1, affording a wet thickness in the range of 150 μm. The ink formulation and coating took place in ambient air, with the roller kept at 60 °C to facilitate drying of the films for more than 45 min. The Ag electrodes were applied by flexographic printing of a heat curing Ag paste. The Ag paste was added to the flexographic roll and further transferred to the substrate with a web speed of 0.8 m min−1 and roll temperature of 60 °C (Figure 2d). Finally, thermal annealing was used for devices at 120 °C for 1 or 2 min. The completed solar cells (Figure 2e) were then divided into ≈320 individual cells each with an active area of 0.9–1.1 cm2. FF-OSCs with an inverted structure were fabricated by varying processing solvent, D/A weight ratio, wet thickness of active layer and thermal annealing time. The J–V curves of FF-OSCs with different D/A weight ratio, wet thickness of active layer, and thermal annealing time are shown in Figures S1, S2, and S3 of the Supporting Information, respectively. Table S1, Supporting Information, summarizes the average and best device data of FF-OSCs under different device conditions. The optimized device conditions were D/A weight ratio of 1:1.25, wet thickness of active layer of 9 μm, and thermal annealing at 120 °C for 1 min. Figure 3a,b shows the J–V and external quantum efficiency (EQE) spectra of FF-OSCs with different processing solvent (chloroform (CF); o-xylene; chlorobenzene (CB), and dichlorobenzene (DCB)) and thermal annealing under the optimized device conditions. Figure 3c shows the light beam-induced current (LBIC) image of FF-OSCs (solvent: CB). LBIC is a well-established 2D mapping technique for characterization of solar cells and calculation of device area.62 This image clearly showed good current response over the whole active region. Table 1 shows the average and best device characteristics of FF-OSCs with different processing solvent and thermal annealing under the optimized device conditions. The processing solvent strongly affected the VOC, short circuit current density (JSC) and fill factor (FF). The VOC of devices processed with CF, DCB, and CB solvents was similar and much higher than that of o-xylene processed devices. The FF of devices processed with CF and CB was higher than those of o-xylene and DCB processed devices. The devices processed with CB had higher JSC and PCE; the average VOC, JSC, FF, and PCE of these devices was 0.7748 V, 2.847 mA cm−2, 37.22%, and 0.821%, respectively. Thermal annealing led to performance improvement in FF-OSCs. The solar cells exhibited the best performance after thermal annealing at 120 °C for 1 min; average VOC increased from 0.7748 to 0.7983 V, average JSC increased from 2.847 to 3.086 mA cm−2, average FF increased from 37.22% to 40.11%, and average PCE increased from 0.821% to 0.988%. The best PCE of these devices was 1.019%. As shown in Figure 3b, the trend of EQE was similar to that of JSC. To evaluate the accuracy of the photovoltaic results, the JSC values were calculated from integration of the EQE spectra with the AM 1.5G reference spectrum. The calculated JSC was similar to J–V measurement (the average error was 3.2%, Table 1). Figure 4 shows the atomic force microscope (AFM) height and phase images of PBDTTT-C-T:DC-IDT2T blend films with different processing solvent and thermal annealing. The blend films with different processing solvent exhibited a typical cluster structure with many aggregated domains and a root-mean-square (RMS) roughness of 3.21 nm (DCB, Figure 4a), 2.29 nm (CF, Figure 4c), and 1.64 nm (CB, Figure 4e), respectively. The films became smoother and the RMS roughness decreased from 1.64 to 1.23 nm after thermal annealing (Figure 4g). The more uniform and smoother morphology of PBDTTT-C-T:DC-IDT2T blended films with suitable phase separation was observed with the use of CB and thermal annealing, which was responsible for improved JSC and PCE. The blended films processed by o-xylene were not uniform with big aggregation (Figure S4, Supporting Information). The three main qualities that a solar cell must possess are high efficiency, easy fabrication, and good stability. As shown in Figure 5, we measured the stability of PBDTTT-C-T/DC-IDT2T (processing by CB solvent and annealing at 120 °C for 1 min) and PBDTTT-C-T/PC71BM (processing by DCB solvent and 5% DIO) devices in air under continuous AM1.5G illumination for 180 h. The PCE of PC71BM-based device decreased more quickly than that of nonfullerene acceptor-based device. The polymer/nonfullerene device showed much better stability (maintained 85% PCE after 180 h) relative to polymer/fullerene device (maintained 50% PCE after 180 h). Figure 6 shows the optical microscope images of PBDTTT-C-T/DC-IDT2T films and PBDTTT-C-T/PC71BM films before and after 180 h stability test. The appearance of PBDTTT-C-T/DC-IDT2T film did not change, while some black dots (≈10 μm) were clearly observed in PBDTTT-C-T/PC71BM film after 180 h stability test, which decreased the PCE. Figure 7 shows the LBIC images of PBDTTT-C-T/DC-IDT2T films and PBDTTT-C-T/PC71BM films before and after 180 h stability test. The measured current values for each point can be translated into a scale of different color hues and represented as a map showing areas of high and low current response to the incident light.62 After 180 h stability test, the LBIC images of PBDTTT-C-T/DC-IDT2T films changed a little, which means little loss of current during the stability test (Figure 7a,b). On the contrary, the color of LBIC images of PBDTTT-C-T/PC71BM films after the 180 h stability test became darker (Figure 7c,d), which means significant loss of current. In summary, we report FF-OSCs based on polymer donor PBDTTT-C-T and nonfullerene small molecule acceptor DC-IDT2T fabricated by the roll-coating process. The solar cells fabricated using processing solvent CB and thermal annealing exhibited the best performance due to the uniform and smooth surface of the blended film. The best PCE of 1.019% was achieved with large device area (1 cm2), flexible substrates, ITO-free, vacuum-free, and ambient conditions. The nonfullerene-based device showed much better stability than the fullerene-based control device. Our preliminary results demonstrate that nonfullerene small molecule acceptors could be promising for industrial manufacture of high-performance OSCs. The authors thank the NSFC (Grant Nos. 91433114, 51261130582, and 21025418), the 973 Program (2011CB808401), the Chinese Academy of Sciences and the Danish National Research Foundation for financial support, and this work was carried out in the Danish Chinese Centre of Organic-Based Photovoltaics with Morphological Control. As a service to our authors and readers, this journal provides supporting information supplied by the authors. Such materials are peer reviewed and may be re-organized for online delivery, but are not copy-edited or typeset. Technical support issues arising from supporting information (other than missing files) should be addressed to the authors. Please note: The publisher is not responsible for the content or functionality of any supporting information supplied by the authors. Any queries (other than missing content) should be directed to the corresponding author for the article.<br/>Las células solares orgánicas libres de fullereno de gran superficie con una estabilidad y eficiencia mejoradas de hasta el 1% se fabrican mediante el proceso de recubrimiento con rodillos sobre sustratos flexibles y libres de óxido de indio y estaño, en condiciones ambientales. La célula solar es una de las mejores candidatas para la energía limpia y el desarrollo sostenible. Especialmente, las células solares orgánicas (OSC) de heterounión a granel (BHJ) son prometedoras debido a algunas ventajas, como la preparación simple, el bajo costo, el peso ligero y la fabricación flexible de gran área. Este ha sido el foco de la investigación en la última década.1-6 En la actualidad, los derivados de fullereno (típicamente PC61BM y PC71BM) se utilizan ampliamente como aceptores de electrones en OSC debido a la transferencia de carga fotoinducida ultrarrápida en las interfaces donante/aceptor (D/A) ,7 alta movilidad de electrones ,8 y una buena capacidad para formar redes a nanoescala favorables con materiales donantes.9 Los OSC de BHJ basados en redes interpenetrantes de polímeros semiconductores y derivados de fullereno exhibieron el mejor rendimiento con eficiencias de conversión de potencia (PCE) superiores al 11%.10 Sin embargo, existen algunas limitaciones de los derivados de fullereno, como el nivel de energía relativamente bajo del orbital molecular desocupado (LUMO) (≈-3.91 eV11) que conduce a la pérdida de voltaje de circuito abierto (VOC), absorción débil en la región visible, costo relativamente alto ,12 y agregación fácil, que reduce la estabilidad a largo plazo de los dispositivos.13 Los OSC libres de fullereno (FF-OSC)9, 14-20 están compuestos por un polímero semiconductor de tipo p o una molécula pequeña como donante de electrones y un polímero no fullereno semiconductor de tipo n o una molécula pequeña como aceptor de electrones. En comparación con los aceptores de fullereno, los aceptores que no son de fullereno presentan algunas ventajas, como una absorción amplia y fuerte, niveles de energía Lumo ajustables y estabilidad a largo plazo. En los últimos años, los FF-OSC se desarrollaron rápidamente21-42 y lograron PCE de hasta el 6,8%.25 Aunque los FF-OSC potencialmente tienen un futuro brillante, en comparación con los OSC basados en fullereno, todavía están lejos de la fabricación industrial. Los OSC basados en fullereno se pueden fabricar en áreas grandes (más de 1 cm2),43, 44 con sustratos flexibles ,45, 46 sin electrodos transparentes costosos como el óxido de indio y estaño (Ito),47, 48 sin electrodos evaporados al vacío ,49, 50 y en condiciones ambientales sin protección de nitrógeno.51, 52 Sin embargo, casi todos los FF-OSC informados eran áreas pequeñas (menos de 0.15 cm2) en sustratos de Ito/vidrio, con electrodos evaporados al vacío y protección de nitrógeno.21-30, 35-38 La fabricación de rollo a rollo (R2R) 53-55 es una forma prometedora de fabricar OSC. Debido a la rápida velocidad para producir OSC de gran superficie, flexibles y estables sin Ito, sin vacío y en condiciones ambientales, R2R puede tener potencial para la fabricación industrial de FF-OSC. Sin embargo, hasta ahora, la fabricación de FF-OSC mediante el proceso de recubrimiento con rodillo se ha estudiado poco.56-58 En este trabajo, informamos FF-OSC basados en un aceptor de molécula pequeña que no es fullereno fabricado mediante el proceso de recubrimiento con rodillo. La estructura de los FF-OSC invertidos se muestra en la Figura 1a. La capa activa consistió en un donante de polímero PBDTTT-C-T59 y un aceptor de no fullereno DC-IDT2T (Figura 1b).30 Después de la optimización de la morfología de la capa activa en dispositivos recubiertos con rodillo mediante el uso de diferentes solventes de procesamiento y recocido térmico, se logró el mejor PCE de 1.019% con un área de dispositivo grande (1 cm2), sustratos flexibles, libres de Ito, libres de vacío y preparación en condiciones ambientales. Además, en relación con los dispositivos de control basados en PC71BM, los FF-OSC mostraron una estabilidad mucho mejor. Estas FF-OSC se produjeron mediante impresión flexográfica y recubrimiento con boquilla ranurada en una mini recubridora de rodillo a escala de laboratorio.60 Las rejillas de dedos de plata (Ag) (capas inferior y superior) se imprimieron utilizando impresión flexográfica mediante un rodillo de goma con patrón, mientras que todas las demás capas se fabricaron mediante recubrimiento con boquilla ranurada.50 Como se muestra en la Figura 2a, el sustrato flexible consistía en una capa de soporte de poli(netereftalato de etilo) (PET), rejillas de dedos de Ag61, capa conductora (poli (3,4-etilendioxitiofeno):poli (estireno-sulfonato), PEDOT:PSS PH1000) y capa de transporte de electrones óxido de zinc (ZnO). La tinta que contenía materiales donadores de polímero y aceptores de no fullereno se transfirió desde un recipiente externo a través de una bomba al cabezal de boquilla de ranura. El ancho del recubrimiento se definió por el ancho de la ranura inferior del cabezal, a través de la cual la tinta fluía hacia el sustrato en movimiento. El espesor del recubrimiento estaba dirigido por el caudal de tinta y la velocidad de movimiento del sustrato.52 Preparamos tintas de material activo, que comprendían una mezcla del donante de polímero PBDTTT-C-T y el aceptor de electrones de cubo molar pequeño DC-IDT2T, utilizando diferentes disolventes de procesamiento y diferentes relaciones donante/aceptor (D/A), y todas las soluciones tenían una misma concentración de 27 mg mL−1 en total. La tinta se recubrió con rodillos sobre cuatro tiras sobre un sustrato de PET flexible, se recubrió previamente con ZnO sobre tiras catódicas PEDOT:PSS PH1000 de alta conductividad (Figura 2b). El recubrimiento se realizó a 60 °C con una velocidad de banda de 0.65 m min−1, lo que proporcionó un espesor húmedo en el intervalo de 7–14 μm. La capa posterior de PEDOT:PSS EL-P5010 se recubrió con una matriz de ranura en la capa activa con un desplazamiento adicional de 1 mm (para evitar el cortocircuito del dispositivo) (Figura 2c). El recubrimiento se realizó a 60 °C con una velocidad de banda de 0.8 m min−1, proporcionando un espesor húmedo en el intervalo de 150 μm. La formulación y el recubrimiento de la tinta se realizaron al aire ambiente, con el rodillo mantenido a 60 °C para facilitar el secado de las películas durante más de 45 min. Los electrodos de Ag se aplicaron mediante impresión flexográfica de una pasta de Ag de curado térmico. La pasta de Ag se añadió al rodillo flexográfico y se transfirió adicionalmente al sustrato con una velocidad de banda de 0,8 m min-1 y una temperatura del rodillo de 60 °C (Figura 2d). Finalmente, se utilizó recocido térmico para dispositivos a 120 °C durante 1 o 2 min. Las células solares completas (Figura 2e) se dividieron luego en ≈320 células individuales, cada una con un área activa de 0.9–1.1 cm2. Los FF-OSC con una estructura invertida se fabricaron variando el disolvente de procesamiento, la relación en peso D/A, el espesor húmedo de la capa activa y el tiempo de recocido térmico. Las curvas J–V de FF-OSC con diferentes relaciones en peso D/A, espesor húmedo de la capa activa y tiempo de recocido térmico se muestran en las Figuras S1, S2 y S3 de la Información de respaldo, respectivamente. La Tabla S1, Información de respaldo, resume los datos promedio y mejores del dispositivo de los FF-OSC en diferentes condiciones del dispositivo. Las condiciones optimizadas del dispositivo fueron una relación en peso D/A de 1:1,25, un espesor húmedo de la capa activa de 9 μm y un recocido térmico a 120 °C durante 1 min. La Figura 3a,b muestra los espectros J–V y de eficiencia cuántica externa (EQE) de FF-OSC con diferentes solventes de procesamiento (cloroformo (CF); o-xileno; clorobenceno (CB) y diclorobenceno (DCB)) y recocido térmico en las condiciones optimizadas del dispositivo. La Figura 3c muestra la imagen de corriente inducida por haz de luz (LBIC) de FF-OSC (disolvente: CB). LBIC es una técnica de mapeo 2D bien establecida para la caracterización de células solares y el cálculo del área del dispositivo.62 Esta imagen mostró claramente una buena respuesta de corriente en toda la región activa. La Tabla 1 muestra las características promedio y mejores del dispositivo de FF-OSC con diferentes solventes de procesamiento y recocido térmico en las condiciones optimizadas del dispositivo. El disolvente de procesamiento afectó fuertemente el COV, la densidad de corriente de cortocircuito (JSC) y el factor de llenado (FF). El COV de los dispositivos procesados con disolventes CF, DCB y CB fue similar y mucho mayor que el de los dispositivos procesados con o-xileno. El FF de los dispositivos procesados con CF y CB fue mayor que el de los dispositivos procesados con o-xileno y DCB. Los dispositivos procesados con CB tuvieron JSC y PCE más altos; el VOC, JSC, FF y PCE promedio de estos dispositivos fue de 0.7748 V, 2.847 mA cm−2, 37.22% y 0.821%, respectivamente. El recocido térmico condujo a una mejora del rendimiento en las FF-OSC. Las células solares mostraron el mejor rendimiento después del recocido térmico a 120 °C durante 1 min; el VOC medio aumentó de 0,7748 a 0,7983 V, el JSC medio aumentó de 2,847 a 3,086 mA cm−2, el FF medio aumentó de 37,22% a 40,11% y el PCE medio aumentó de 0,821% a 0,988%. El mejor PCE de estos dispositivos fue de 1.019%. Como se muestra en la Figura 3b, la tendencia de EQE fue similar a la de JSC. Para evaluar la precisión de los resultados fotovoltaicos, se calcularon los valores JSC a partir de la integración de los espectros EQE con el espectro de REFERENCIA AM 1.5G. La JSC calculada fue similar a la medición J–V (el error medio fue del 3,2%, Tabla 1). La Figura 4 muestra las imágenes de altura y fase del microscopio de fuerza atómica (AFM) de las películas de mezcla PBDTTT-C-T: DC-IDT2T con diferentes solventes de procesamiento y recocido térmico. Las películas de mezcla con diferentes solventes de procesamiento exhibieron una estructura de clúster típica con muchos dominios agregados y una rugosidad cuadrática media (RMS) de 3.21 nm (DCB, Figura 4a), 2.29 nm (CF, Figura 4c) y 1.64 nm (CB, Figura 4e), respectivamente. Las películas se volvieron más lisas y la rugosidad RMS disminuyó de 1.64 a 1.23 nm después del recocido térmico (Figura 4g). La morfología más uniforme y suave de las películas mezcladas PBDTTT-C-T: DC-IDT2T con separación de fases adecuada se observó con el uso de CB y recocido térmico, que fue responsable de la mejora de JSC y PCE. Las películas mezcladas procesadas por o-xileno no fueron uniformes con gran agregación (Figura S4, Información de apoyo). Las tres cualidades principales que debe poseer una célula solar son alta eficiencia, fácil fabricación y buena estabilidad. Como se muestra en la Figura 5, medimos la estabilidad de los dispositivos PBDTTT-C-T/DC-IDT2T (procesamiento por solvente CB y recocido a 120 °C durante 1 min) y PBDTTT-C-T/PC71BM (procesamiento por solvente DCB y 5% DIO) en aire bajo iluminación continua AM1.5G durante 180 h. El PCE del dispositivo basado en PC71BM disminuyó más rápidamente que el del dispositivo basado en aceptor no fulllereno. El dispositivo de polímero/no fullereno mostró una estabilidad mucho mejor (mantuvo un 85% de PCE después de 180 h) en relación con el dispositivo de polímero/fullereno (mantuvo un 50% de PCE después de 180 h). La Figura 6 muestra las imágenes de microscopio óptico de películas PBDTTT-C-T/DC-IDT2T y películas PBDTTT-C-T/PC71BM antes y después de la prueba de estabilidad de 180 h. La apariencia de la película PBDTTT-C-T/DC-IDT2T no cambió, mientras que se observaron claramente algunos puntos negros (≈10 μm) en la película PBDTTT-C-T/PC71BM después de 180 h de prueba de estabilidad, lo que disminuyó el PCE. La Figura 7 muestra las imágenes LBIC de las películas PBDTTT-C-T/DC-IDT2T y las películas PBDTTT-C-T/PC71BM antes y después de la prueba de estabilidad de 180 h. Los valores de corriente medidos para cada punto pueden traducirse en una escala de diferentes tonos de color y representarse como un mapa que muestra áreas de respuesta de corriente alta y baja a la luz incidente.62 Después de la prueba de estabilidad de 180 h, las imágenes LBIC de las películas PBDTTT-C-T/DC-IDT2T cambiaron un poco, lo que significa poca pérdida de corriente durante la prueba de estabilidad (Figura 7a,b). Por el contrario, el color de las imágenes LBIC de las películas PBDTTT-C-T/PC71BM después de la prueba de estabilidad de 180 h se volvió más oscuro (Figura 7c,d), lo que significa una pérdida significativa de corriente. En resumen, informamos FF-OSC basados en el donante de polímero PBDTTT-C-T y el aceptor de molécula pequeña no fullereno DC-IDT2T fabricado por el proceso de recubrimiento con rodillo. Las células solares fabricadas con disolvente de procesamiento CB y recocido térmico mostraron el mejor rendimiento debido a la superficie uniforme y lisa de la película mezclada. El mejor PCE de 1.019% se logró con un área de dispositivo grande (1 cm2), sustratos flexibles, sin Ito, sin vacío y en condiciones ambientales. El dispositivo no basado en fullereno mostró una estabilidad mucho mejor que el dispositivo de control basado en fullereno. Nuestros resultados preliminares demuestran que los aceptores de moléculas pequeñas sin fullereno podrían ser prometedores para la fabricación industrial de OSC de alto rendimiento. Los autores agradecen al NSFC (subvenciones n .º 91433114, 51261130582 y 21025418), al Programa 973 (2011CB808401), a la Academia China de Ciencias y a la Fundación Nacional Danesa de Investigación por el apoyo financiero, y este trabajo se llevó a cabo en el Centro Chino Danés de Fotovoltaica de Base Orgánica con Control Morfológico. Como un servicio a nuestros autores y lectores, esta revista proporciona información de apoyo suministrada por los autores. Dichos materiales son revisados por pares y pueden reorganizarse para su entrega en línea, pero no están editados ni tipografiados. Los problemas de soporte técnico que surjan de la información de respaldo (que no sean archivos faltantes) deben dirigirse a los autores. Nota: El editor no es responsable del contenido o la funcionalidad de la información de apoyo proporcionada por los autores. Cualquier consulta (que no sea el contenido faltante) debe dirigirse al autor correspondiente del artículo.<br/>Des cellules solaires organiques de grande surface, sans fullerène, avec une stabilité et une efficacité améliorées allant jusqu'à 1 % sont fabriquées par le procédé de laminage sur des substrats souples et sans oxyde d'indium et d'étain, dans des conditions ambiantes. La cellule solaire est l'un des meilleurs candidats pour l'énergie propre et le développement durable. En particulier, les cellules solaires organiques (OSC) à hétérojonction en vrac (BHJ) sont prometteuses en raison de certains avantages, tels qu'une préparation simple, un faible coût, un poids léger et une fabrication flexible de grande surface. Cela a fait l'objet de recherches au cours de la dernière décennie.1-6 De nos jours, les dérivés du fullerène (généralement PC61BM et PC71BM) sont largement utilisés comme accepteurs d'électrons dans les OSC en raison du transfert de charge photo-induit ultra-rapide aux interfaces donneur/accepteur (D/A) ,7 de la mobilité élevée des électrons ,8 et de la bonne capacité à former des réseaux nanométriques favorables avec les matériaux donneurs.9 Les OSC BHJ basées sur des réseaux interpénétrés de polymères semi-conducteurs et de dérivés du fullerène ont présenté les meilleures performances avec des rendements de conversion de puissance (PCE) dépassant 11%.10 Cependant, il existe certaines limites aux dérivés du fullerène, telles que le niveau d'énergie relativement faible de l'orbite moléculaire inoccupée (LUMO) (≈−3,91 eV11) qui conduit à une perte de tension en circuit ouvert (VOC), une faible absorption dans la région visible, un coût relativement élevé12 et une agrégation facile, ce qui réduit la stabilité à long terme des dispositifs.13 Les OSC sans fullerène (FF-OSC)9, 14-20 sont composées d'un polymère semi-conducteur de type p ou d'une petite molécule en tant que donneur d'électrons et d'un polymère non semi-conducteur de type n ou d'une petite molécule en tant qu'accepteur d'électrons. Par rapport aux accepteurs de fullerène, les accepteurs de nonfullerène présentent certains avantages, tels qu'une absorption large et forte, des niveaux d'énergie LUMO réglables et une stabilité à long terme. Ces dernières années, les FF-OSC se sont développées rapidement21-42 et ont atteint des pce allant jusqu'à 6,8%.25 Bien que les FF-OSC aient potentiellement un avenir prometteur, par rapport aux OSC à base de fullerène, elles sont encore loin de la fabrication industrielle. Les OSC à base de fullerène peuvent être fabriqués sur une grande surface (plus de 1 cm2), 43, 44 avec des substrats flexibles, 45, 46 sans électrodes transparentes coûteuses telles que l'oxyde d'indium et d'étain (ITO), 47, 48 sans électrodes évaporées sous vide, 49, 50 et dans des conditions ambiantes sans protection contre l'azote.51, 52 Cependant, presque tous les FF-OSC signalés étaient de petite surface (moins de 0,15 cm2) sur des substrats en ITO/verre, avec des électrodes évaporées sous vide et une protection contre l'azote.21-30, 35-38 La fabrication de rouleaux à rouleaux (R2R) 53-55 est un moyen prometteur de fabriquer des OSC. En raison de la vitesse rapide pour produire de grandes surfaces, des OSC flexibles et stables avec des conditions sans ITO, sans vide et ambiantes, R2R peut avoir un potentiel pour la fabrication industrielle de FF-OSC. Cependant, jusqu'à présent, la fabrication de FF-OSC par le procédé d'enrobage au rouleau a été peu étudiée.56-58 Dans ce travail, nous rapportons des FF-OSC basés sur une petite molécule d'accepteur de nonfullerène fabriquée par le procédé d'enrobage au rouleau. La structure des FF-OSC inversés est illustrée à la figure 1a. La couche active était composée d'un donneur de polymère PBDTTT-C-T59 et d'un accepteur de non fulllerène DC-IDT2T (Figure 1b).30 Après optimisation de la morphologie de la couche active dans les dispositifs revêtus par rouleau en utilisant différents solvants de traitement et un recuit thermique, le meilleur pce de 1,019 % a été obtenu avec une grande surface de dispositif (1 cm2), des substrats flexibles, sans ITO, sans vide et une préparation dans des conditions ambiantes. De plus, par rapport aux dispositifs de contrôle à base de PC71BM, les FF-OSC présentaient une bien meilleure stabilité. Ces FF-OSC ont été produits par impression flexographique et revêtement par filière à fente sur une mini-coucheuse à rouleau à l'échelle du laboratoire.60 Les grilles de doigts en argent (Ag) (couches inférieure et supérieure) ont été imprimées à l'aide d'une impression flexographique par un rouleau en caoutchouc à motifs, tandis que toutes les autres couches ont été fabriquées par revêtement par filière à fente.50 Comme le montre la figure 2a, le substrat flexible se composait d'une couche de support en poly(éthyle­ netéréphtalate) (PET), de grilles de doigts en Ag61, d'une couche conductrice (poly (3,4-éthylènedioxythiophène) :poly­(styrène­sulfonate), PEDOT :PSS PH1000) et d'oxyde de zinc (ZnO) de la couche de transport d'électrons. L'encre contenant des matériaux donneurs de polymère et accepteurs de non fulllerène a été transférée d'un récipient externe via une pompe à la tête de filière à fente. La largeur du revêtement était définie par la largeur de la fente inférieure de la tête, à travers laquelle l'encre coulait sur le substrat en mouvement. L'épaisseur du revêtement a été dirigée par le débit d'encre et la vitesse de déplacement du substrat.52 Nous avons préparé des encres de matière active, comprenant un mélange du donneur de polymère PBDTTT-C-T et de la petite mole acceptrice d'électrons DC-IDT2T, en utilisant différents solvants de traitement et différents rapports donneur/accepteur (D/A), et toutes les solutions avaient une même concentration de 27 mg mL−1 au total. L'encre a été enduite par rouleau sur quatre bandes sur un substrat PET flexible, pré-revêtue de ZnO sur des bandes cathodiques PEDOT :PSS PH1000 hautement conductrices (Figure 2b). Le revêtement a été effectué à 60 °C avec une vitesse de bande de 0,65 m min−1, offrant une épaisseur humide dans la plage de 7 à 14 μm. La couche arrière PEDOT :PSS EL-P5010 a été enduite de matrices à fente sur la couche active avec un décalage supplémentaire de 1 mm (pour éviter le court-circuit de l'appareil) (Figure 2c). Le revêtement a été effectué à 60 °C avec une vitesse de bande de 0,8 m min−1, offrant une épaisseur humide dans la plage de 150 μm. La formulation et l'enduction de l'encre ont eu lieu à l'air ambiant, le rouleau étant maintenu à 60 °C pour faciliter le séchage des films pendant plus de 45 min. Les électrodes Ag ont été appliquées par impression flexographique d'une pâte Ag thermodurcissable. La pâte d'Ag a été ajoutée au rouleau flexographique et transférée sur le substrat avec une vitesse de bande de 0,8 m min−1 et une température de rouleau de 60 °C (Figure 2d). Enfin, un recuit thermique a été utilisé pour les appareils à 120 °C pendant 1 ou 2 min. Les cellules solaires terminées (Figure 2e) ont ensuite été divisées en ≈320 cellules individuelles ayant chacune une surface active de 0,9-1,1 cm2. Les FF-OSC à structure inversée ont été fabriqués en faisant varier le solvant de traitement, le rapport pondéral D/A, l'épaisseur humide de la couche active et le temps de recuit thermique. Les courbes J–V des FF-OSC avec un rapport pondéral D/A différent, l'épaisseur humide de la couche active et le temps de recuit thermique sont illustrées dans les figures S1, S2 et S3 des informations complémentaires, respectivement. Le tableau S1, Informations complémentaires, résume les données moyennes et les meilleures données d'appareil des FF-OSC dans différentes conditions d'appareil. Les conditions optimisées du dispositif étaient un rapport pondéral D/A de 1:1,25, une épaisseur humide de la couche active de 9 μm et un recuit thermique à 120 °C pendant 1 min. La figure 3a,b montre les spectres J–V et d'efficacité quantique externe (EQE) des FF-OSC avec différents solvants de traitement (chloroforme (CF) ; o-xylène ; chlorobenzène (CB) et dichlorobenzène (DCB)) et recuit thermique dans les conditions optimisées du dispositif. La figure 3c montre l'image du courant induit par le faisceau lumineux (LBIC) des FF-OSC (solvant : CB). Le LBIC est une technique de cartographie 2D bien établie pour la caractérisation des cellules solaires et le calcul de la surface du dispositif.62 Cette image a clairement montré une bonne réponse en courant sur toute la région active. Le tableau 1 montre les caractéristiques moyennes et optimales des FF-OSC avec différents solvants de traitement et recuit thermique dans les conditions optimisées du dispositif. Le solvant de traitement a fortement affecté les COV, la densité de courant de court-circuit (JSC) et le facteur de remplissage (FF). Les COV des dispositifs traités avec des solvants CF, DCB et CB étaient similaires et beaucoup plus élevés que ceux des dispositifs traités à l'o-xylène. La FF des dispositifs traités avec CF et CB était supérieure à celle des dispositifs traités avec o-xylène et DCB. Les dispositifs traités avec CB avaient des JSC et des pce plus élevés ; les COV, JSC, FF et pce moyens de ces dispositifs étaient de 0,7748 V, 2,847 mA cm−2, 37,22 % et 0,821 %, respectivement. Le recuit thermique a permis d'améliorer les performances des FF-OSC. Les cellules solaires ont présenté les meilleures performances après un recuit thermique à 120 °C pendant 1 min ; la moyenne des COV a augmenté de 0,7748 à 0,7983 V, la moyenne des JSC a augmenté de 2,847 à 3,086 mA cm−2, la moyenne des FF a augmenté de 37,22 % à 40,11 % et la moyenne des pce a augmenté de 0,821 % à 0,988 %. Le meilleur pce de ces appareils était de 1,019%. Comme le montre la figure 3b, la tendance de l'EQE était similaire à celle de la JSC. Pour évaluer la précision des résultats photovoltaïques, les valeurs JSC ont été calculées à partir de l'intégration des spectres EQE avec le spectre de référence AM 1,5G. Le JSC calculé était similaire à la mesure J–V (l'erreur moyenne était de 3,2 %, tableau 1). La figure 4 montre les images de hauteur et de phase du microscope à force atomique (AFM) des films de mélange PBDTTT-C-T : DC-IDT2T avec différents solvants de traitement et recuit thermique. Les films de mélange avec différents solvants de traitement présentaient une structure d'agrégat typique avec de nombreux domaines agrégés et une rugosité moyenne quadratique (RMS) de 3,21 nm (DCB, figure 4a), 2,29 nm (CF, figure 4c) et 1,64 nm (CB, figure 4e), respectivement. Les films sont devenus plus lisses et la rugosité RMS a diminué de 1,64 à 1,23 nm après recuit thermique (Figure 4g). La morphologie plus uniforme et plus lisse des films mélangés PBDTTT-C-T : DC-IDT2T avec une séparation de phase appropriée a été observée avec l'utilisation du CB et du recuit thermique, qui a permis d'améliorer le JSC et le PCE. Les films mélangés traités par l'o-xylène n'étaient pas uniformes avec une forte agrégation (Figure S4, Informations complémentaires). Les trois principales qualités qu'une cellule solaire doit posséder sont un rendement élevé, une fabrication facile et une bonne stabilité. Comme le montre la figure 5, nous avons mesuré la stabilité des dispositifs PBDTTT-C-T/DC-IDT2T (traitement par solvant CB et recuit à 120 °C pendant 1 min) et PBDTTT-C-T/PC71BM (traitement par solvant DCB et 5% DIO) dans l'air sous éclairage AM1.5G continu pendant 180 h. Le pce du dispositif à base de PC71BM a diminué plus rapidement que celui du dispositif à base d'accepteur de non fulllerène. Le dispositif polymère/non fullerène a montré une bien meilleure stabilité (maintenue à 85% pce après 180 h) par rapport au dispositif polymère/fullerène (maintenue à 50% pce après 180 h). La figure 6 montre les images au microscope optique des films PBDTTT-C-T/DC-IDT2T et des films PBDTTT-C-T/PC71BM avant et après le test de stabilité de 180 h. L'aspect du film PBDTTT-C-T/DC-IDT2T n'a pas changé, tandis que certains points noirs (≈10 μm) ont été clairement observés dans le film PBDTTT-C-T/PC71BM après 180 h de test de stabilité, ce qui a diminué le PCE. La figure 7 montre les images LBIC des films PBDTTT-C-T/DC-IDT2T et des films PBDTTT-C-T/PC71BM avant et après le test de stabilité de 180 h. Les valeurs de courant mesurées pour chaque point peuvent être traduites en une échelle de différentes teintes de couleur et représentées sous forme de carte montrant les zones de réponse de courant élevé et faible à la lumière incidente.62 Après un test de stabilité de 180 h, les images LBIC des films PBDTTT-C-T/DC-IDT2T ont légèrement changé, ce qui signifie peu de perte de courant pendant le test de stabilité (Figure 7a,b). Au contraire, la couleur des images LBIC des films PBDTTT-C-T/PC71BM après le test de stabilité de 180 h est devenue plus sombre (Figure 7c,d), ce qui signifie une perte de courant significative. En résumé, nous rapportons des FF-OSC basés sur le donneur de polymère PBDTTT-C-T et l'accepteur de petites molécules de non fulllerène DC-IDT2T fabriqués par le procédé de revêtement au rouleau. Les cellules solaires fabriquées à l'aide du solvant de traitement CB et du recuit thermique ont présenté les meilleures performances en raison de la surface uniforme et lisse du film mélangé. Le meilleur pce de 1,019 % a été obtenu avec une grande surface de l'appareil (1 cm2), des substrats flexibles, sans ITO, sans vide et dans des conditions ambiantes. Le dispositif à base de non fullerène a montré une bien meilleure stabilité que le dispositif de contrôle à base de fullerène. Nos résultats préliminaires démontrent que les accepteurs de petites molécules non fullerènes pourraient être prometteurs pour la fabrication industrielle d'OSC haute performance. Les auteurs remercient la NSFC (subventions n ° 91433114, 51261130582 et 21025418), le programme 973 (2011CB808401), l'Académie chinoise des sciences et la Fondation nationale danoise de recherche pour leur soutien financier, et ce travail a été effectué au Centre chinois danois de photovoltaïque à base organique avec contrôle morphologique. En tant que service à nos auteurs et lecteurs, cette revue fournit des informations complémentaires fournies par les auteurs. Ces documents sont examinés par des pairs et peuvent être réorganisés pour une livraison en ligne, mais ne sont pas copiés ou dactylographiés. Les problèmes de support technique découlant des informations justificatives (autres que les fichiers manquants) doivent être adressés aux auteurs. Remarque : l'éditeur n'est pas responsable du contenu ou de la fonctionnalité des informations complémentaires fournies par les auteurs. Toute question (autre que le contenu manquant) doit être adressée à l'auteur correspondant de l'article.<br/>