Interfacial stability and degradation in organic photovoltaic solar cells

par William Greenbank

Thèse de doctorat en Electronique

Sous la direction de Lionel Hirsch et de Sylvain Chambon.

Le président du jury était Bernard Ratier.

Le jury était composé de Bernard Ratier, Amélie Revaux.

Les rapporteurs étaient Harald Hoppe, Vladimir Dyakonov.

  • Titre traduit

    La stabilité et le vieillissement aux interfaces des cellules solaires organiques photovoltaïques


  • Résumé

    Les durées de vie des cellules solaires photovoltaïques organiques (OPV) doivent être améliorées afin que cette technologie puisse être commercialisée sur une grande échelle. Ce travail étudie l’influence de la sélection des matériaux pour l’interface supérieure sur la dégradation des OPV inversées. La première partie de cette étude s’occupe des effets de la dégradation thermale. Il a été constaté que la tension de circuit-ouvert (VOC) et le facteur de forme (FF) diminuent lors du vieillissement des OPVs ayant une HTL de MoO3 et une électrode d’argent. Des expériences de caractérisation physique ont mis en évidence que les électrodes d’argent démouillent lors du vieillissement thermique ce qui peut conduire à la mort rapide des cellules avec des électrodes minces. Des analyses de rupture ont également faites. Il a été constaté que l’adhésion d’interface supérieure augmente fortement dans les échantillons avec électrode en argent due à la diffusion de matière, et il est possible qu’il y ait une relation entre cette diffusion et la perte de VOC et FF. Dans la deuxième partie, les effets de la lumière sur la dégradation et l’influence de la présence d’oxygène ou d’humidité ont été étudiés. Quelques effets des matériaux ont été notés, en particulier sur la durée de vie. L’oxygène a eu l’effet d’accélérer notablement la dégradation, et aucune différence n’a été notée selon les matériaux utilisés. En revanche, l’humidité a eu un effet prononcé sur les échantillons avec certains HTLs. Ce travail souligne l’importance de penser à la durée de vie quand on désigne les dispositifs OPV, en particulier pour sélectionner des matériaux appropriés afin d’optimiser la durée de vie.


  • Résumé

    Organic photovoltaic (OPV) solar cells show great promise but suffer from short operating lifetimes. This study examines the role that the selection of materials for the hole extraction interface in inverted OPV devices plays in determining the lifetime of a device. In the first part of the study, the effects of thermal degradation were examined. It was found that devices containing MoO3 HTLs and silver top electrodes exhibit an open-circuit voltage (VOC)/fill factor (FF)-driven mechanism. Physical characterisation experiments showed that, with heating, the silver electrode undergoes de-wetting. With thin electrodes this can result in the catastrophic failure of the device. A fracture analysis study found that silver-containing devices experience an increase in adhesion of their top layers to the active layer due to interdiffusion between the layers. This interdiffusion may be related to the loss of VOC and FF in Ag/MoO3 devices through diffused species forming charge traps in the active layer. In the second part of the study, the effects of photodegradation in different atmospheres were studied. Some material-dependent effects were observed when the devices were aged in an inert atmosphere, including variations in projected lifetime. The effect of oxygen was to greatly accelerate degradation, and remove any of the material-dependence observed in the inert experiment, while humidity led to a substantial increase in the degradation rate of devices containing PEDOT:PSS (poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate). This study underlines the importance of considering device lifetime in device design, and choosing materials to minimise degradation.


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