Improved Efficiency and Stability of Organic Solar Cells by Interface Modification Using Atomic Layer Deposition of Ultrathin Aluminum Oxide

Abstract

The interfacial contacts between the electron transporting layers (ETLs) and the photoactive layers are crucial to device performance and stability for OSCs with inverted architecture. Herein, atomic layer deposition (ALD) fabricated ultrathin Al₂O₃ layers are applied to modify the ETLs/active blends (PM6:BTP-BO-4F) interfaces of OSCs, thus improving device performance. The ALD-Al₂O₃ thin layers on ZnO significantly improved its surface morphology, which led to the decreased work function of ZnO and reduced recombination losses in devices. The simultaneous increase in open-circuit voltage (V_OC), short-circuit current density (J_SC) and fill factor (FF) were achieved for the OSCs incorporated with ALD-Al₂O₃ interlayers of a certain thickness, which produced a maximum PCE of 16.61%. Moreover, the ALD-Al₂O₃ interlayers had significantly enhanced device stability by suppressing degradation of the photoactive layers induced by the photocatalytic activity of ZnO and passivating surface defects of ZnO that may play the role of active sites for the adsorption of oxygen and moisture.

Keywords

atomic layer deposition / interface modification / organic solar cells / stability

References

[1] K. Zhang , Z. Hu , C. Sun , Z. Wu , F. Huang , Y. Cao , Chem. Mater. 2017, 29, 141.

[2] C. Li , J. Zhou , J. Song , J. Xu , H. Zhang , X. Zhang , J. Guo , L. Zhu , D. Wei , G. Han , J. Min , Y. Zhang , Z. Xie , Y. Yi , H. Yan , F. Gao , F. Liu , Y. Sun , Nat. Energy 2021, 6, 605.

[3] C. An , Z. Zheng , J. Hou , Chem. Commun. 2020, 56, 4750.

[4] D. Luo , W. Jang , D. D. Babu , M. S. Kim , D. H. Wang , A. K. K. Kyaw , J. Mater. Chem. A 2022, 10, 3255.

[5] Q. Burlingame , M. Ball , Y.-L. Loo , Nat. Energy 2020, 5, 947.

[6] H. Kang , G. Kim , J. Kim , S. Kwon , H. Kim , K. Lee , Adv. Mater. 2016, 28, 7821.

[7] S.-H. Liao , H.-J. Jhuo , Y.-S. Cheng , S.-A. Chen , Adv. Mater. 2013, 25, 4766.

[8] A. K. K. Kyaw , D. H. Wang , V. Gupta , J. Zhang , S. Chand , G. C. Bazan , A. J. Heeger , Adv. Mater. 2013, 25, 2397.

[9] C. Biswas , Z. Ma , X. Zhu , T. Kawaharamura , K. L. Wang , Sol. Energy Mater. Sol. Cells 2016, 157, 1048.

[10] D. H. Kim , F. T. A. Wibowo , D. Lee , N. V. Krishna , S. Park , S. Cho , S.-Y. Jang , Energy Environ. Mater. 2022,

[11] S. Chaisitsak , T. Sugiyama , A. Yamada , M. Konagai , Jpn. J. Appl. Phys. 1999, 38, 4989.

[12] R. M. Hewlett , M. A. McLachlan , Adv. Mater. 2016, 28, 3893.

[13] S. Trost , T. Becker , K. Zilberberg , A. Behrendt , A. Polywka , R. Heiderhoff , P. Görrn , T. Riedl , Sci. Rep. 2015, 5, 7765.

[14] A. Janotti , C. G. Van de Walle , Appl. Phys. Lett. 2005, 87, 122102.

[15] M. Prosa , M. Tessarolo , M. Bolognesi , O. Margeat , D. Gedefaw , M. Gaceur , C. Videlot-Ackermann , M. R. Andersson , M. Muccini , M. Seri , J. Ackermann , ACS Appl. Mater. Interfaces 2016, 8, 1635.

[16] W.-Y. Jin , R. T. Ginting , S.-H. Jin , J.-W. Kang , J. Mater. Chem. A 2016, 4, 3784.

[17] L. Wang , Y. Zheng , X. Li , W. Dong , W. Tang , B. Chen , C. Li , X. Li , T. Zhang , W. Xu , Thin Solid Films 2011, 519, 5673.

[18] E. Polydorou , M. Botzakaki , C. Drivas , K. Seintis , I. Sakellis , A. Soultati , A. Kaltzoglou , T. Speliotis , M. Fakis , L. C. Palilis , S. Kennou , A. Fakharuddin , L. Schmidt-Mende , D. Davazoglou , P. Falaras , P. Argitis , C. A. Krontiras , S. N. Georga , M. Vasilopoulou , J. Mater. Chem. C 2018, 6, 8051.

[19] Y. Jiang , L. Sun , F. Jiang , C. Xie , L. Hu , X. Dong , F. Qin , T. Liu , L. Hu , X. Jiang , Y. Zhou , Mater. Horiz. 2019, 6, 1438.

[20] B. Liu , Y. Han , Z. Li , H. Gu , L. Yan , Y. Lin , Q. Luo , S. Yang , C.-Q. Ma , Sol. RRL 2021, 5, 2000638.

[21] L. Xie , A. Lan , Q. Gu , S. Yang , W. Song , J. Ge , R. Zhou , Z. Chen , J. Zhang , X. Zhang , D. Yang , B. Tang , T. Wu , Z. Ge , ACS Energy Lett. 2023, 8, 361.

[22] J. Wang , R. Peng , J. Gao , D. Li , L. Xie , W. Song , X. Zhang , Y. Fu , Z. Ge , ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 45789.

[23] W. Song , Y. Liu , B. Fanady , Y. Han , L. Xie , Z. Chen , K. Yu , X. Peng , X. Zhang , Z. Ge , Nano Energy 2021, 86, 106044.

[24] W. Song , K. Yu , J. Ge , L. Xie , R. Zhou , R. Peng , X. Zhang , M. Yang , Z. Wei , Z. Ge , Matter 2022, 5, 1877.

[25] B. R. Lee , E. D. Jung , Y. S. Nam , M. Jung , J. S. Park , S. Lee , H. Choi , S.-J. Ko , N. R. Shin , Y.-K. Kim , S. O. Kim , J. Y. Kim , H.-J. Shin , S. Cho , M. H. Song , Adv. Mater. 2014, 26, 494.

[26] Y. Han , H. Dong , W. Pan , B. Liu , X. Chen , R. Huang , Z. Li , F. Li , Q. Luo , J. Zhang , Z. Wei , C.-Q. Ma , ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 17869.

[27] V. Papamakarios , E. Polydorou , A. Soultati , N. Droseros , D. Tsikritzis , A. M. Douvas , L. Palilis , M. Fakis , S. Kennou , P. Argitis , M. Vasilopoulou , ACS Appl. Mater. Interfaces 2016, 8, 1194.

[28] X. Liu , X. Li , Y. Li , C. Song , L. Zhu , W. Zhang , H.-Q. Wang , J. Fang , Adv. Mater. 2016, 28, 7405.

[29] S. Herodotou , R. E. Treharne , K. Durose , G. J. Tatlock , R. J. Potter , Materials 2015, 8, 7230.

[30] A. Puetz , T. Stubhan , M. Reinhard , O. Loesch , E. Hammarberg , S. Wolf , C. Feldmann , H. Kalt , A. Colsmann , U. Lemmer , Sol. Energy Mater. Sol. Cells 2011, 95, 579.

[31] A. Soultati , A. Fakharuddin , E. Polydorou , C. Drivas , A. Kaltzoglou , M. I. Haider , F. Kournoutas , M. Fakis , L. C. Palilis , S. Kennou , D. Davazoglou , P. Falaras , P. Argitis , S. Gardelis , A. Kordatos , A. Chroneos , L. Schmidt-Mende , M. Vasilopoulou , ACS Appl. Energy Mater. 2019, 2, 1663.

[32] Y. E. Ha , M. Y. Jo , J. Park , Y.-C. Kang , S. I. Yoo , J. H. Kim , J. Phys. Chem. C 2013, 117, 2646.

[33] J. Liu , J. Li , G. Tu , Front. Optoelectron. 2018, 11, 348.

[34] B. R. Lee , H. Choi , J. SunPark , H. J. Lee , S. O. Kim , J. Y. Kim , M. H. Song , J. Mater. Chem. 2011, 21, 2051.

[35] T. Hu , F. Li , K. Yuan , Y. Chen , ACS Appl. Mater. Interfaces 2013, 5, 5763.

[36] N. Li , I. McCulloch , C. J. Brabec , Energy Environ. Sci. 2018, 11, 1355.

[37] M. A. Hossain , K. T. Khoo , X. Cui , G. K. Poduval , T. Zhang , X. Li , W. M. Li , B. Hoex , Nano Mater. Sci. 2020, 2, 204.

[38] G. Dingemans , W. M. M. Kessels , J. Vac. Sci. Technol. A 2012, 30, 040802.

[39] A. K. Chandiran , P. Comte , R. Humphry-Baker , F. Kessler , C. Yi , M. K. Nazeeruddin , M. Grätzel , Adv. Funct. Mater. 2013, 23, 2775.

[40] Y. Lv , P. Xu , G. Ren , F. Chen , H. Nan , R. Liu , D. Wang , X. Tan , X. Liu , H. Zhang , Z.-K. Chen , ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10, 23928.

[41] L. Duan , B. Sang , M. He , Y. Zhang , M. A. Hossain , M. H. Rahaman , Q. Wei , Y. Zou , A. Uddin , B. Hoex , Sol. RRL 2020, 4, 2000497.

[42] M. Vasilopoulou , D. G. Georgiadou , A. Soultati , N. Boukos , S. Gardelis , L. C. Palilis , M. Fakis , G. Skoulatakis , S. Kennou , M. Botzakaki , S. Georga , C. A. Krontiras , F. Auras , D. Fattakhova-Rohlfing , T. Bein , T. A. Papadopoulos , D. Davazoglou , P. Argitis , Adv. Energy Mater. 2014, 4, 1400214.

[43] A. Lan , Y. Lv , J. Zhu , H. Lu , H. Do , Z.-K. Chen , J. Zhou , H. Wang , F. Chen , E. Zhou , ACS Energy Lett. 2022, 7, 2845.

[44] F. C. Correia , N. Bundaleski , O. M. N. D. Teodoro , M. R. Correia , L. Rebouta , A. Mendes , C. J. Tavares , Appl. Surf. Sci. 2018, 458, 1043.

[45] M. S. Abdel-wahab , A. Jilani , I. S. Yahia , A. A. Al-Ghamdi , Superlattices Microst. 2016, 94, 108.

[46] J. Bao , X.-P. Wang , L.-J. Wang , M.-Y. Zhao , J.-Z. Wang , Vacuum 2022, 201, 111080.

[47] M. Napari , T. N. Huq , D. J. Meeth , M. J. Heikkilä , K. M. Niang , H. Wang , T. Iivonen , H. Wang , M. Leskela , M. Ritala , ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 4156.

[48] C.-K. Wu , K. Sivashanmugan , T.-F. Guo , T.-C. Wen , Materials 2018, 11, 378.

[49] E. Polydorou , M. A. Botzakaki , I. Sakellis , A. Soultati , A. Kaltzoglou , T. A. Papadopoulos , J. Briscoe , C. Drivas , K. Seintis , M. Fakis , L. C. Palilis , S. N. Georga , C. A. Krontiras , S. Kennou , P. Falaras , N. Boukos , D. Davazoglou , P. Argitis , M. Vasilopoulou , Adv. Mater. Interfaces 2017, 4, 1700231.

[50] A. M. Boehm , T. Liu , S. M. Park , A. Abtahi , K. R. Graham , ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 5209.

[51] M. A. Mahmud , N. K. Elumalai , M. B. Upama , D. Wang , F. Haque , M. Wright , C. Xu , A. Uddin , Sol. Energy Mater. Sol. Cells 2017, 167, 70.

[52] A. K. Kyaw , D. H. Wang , D. Wynands , J. Zhang , T. Q. Nguyen , G. C. Bazan , A. J. Heeger , Nano Lett. 2013, 13, 3796.

[53] V. D. Mihailetchi , L. J. Koster , J. C. Hummelen , P. W. Blom , Phys. Rev. Lett. 2004, 93, 216601.

[54] M. M. Mandoc , F. B. Kooistra , J. C. Hummelen , B. de Boer , P. W. M. Blom , Appl. Phys. Lett. 2007, 91, 91.

[55] I. Riedel , J. Parisi , V. Dyakonov , L. Lutsen , D. Vanderzande , J. C. Hummelen , Adv. Funct. Mater. 2004, 14, 38.

[56] L. Zhang , N. Yi , W. Zhou , Z. Yu , F. Liu , Y. Chen , Adv. Sci. (Weinh) 2019, 6, 1900565.

[57] R. A. Marcus , Annu. Rev. Phys. Chem. 1964, 15, 155.

[58] A. Karki , J. Vollbrecht , A. J. Gillett , P. Selter , J. Lee , Z. Peng , N. Schopp , A. L. Dixon , M. Schrock , V. Nádaždy , F. Schauer , H. Ade , B. F. Chmelka , G. C. Bazan , R. H. Friend , T.-Q. Nguyen , Adv. Energy Mater. 2020, 10, 2001203.

[59] H. Liu , M. Li , H. Wu , J. Wang , Z. Ma , Z. Tang , J. Mater. Chem. A 2021, 9, 19770.

[60] Y. Xu , Y. Cui , H. Yao , T. Zhang , J. Zhang , L. Ma , J. Wang , Z. Wei , J. Hou , Adv. Mater. 2021, 33, 2101090.

[61] Y. Wang , X. Wang , B. Lin , Z. Bi , X. Zhou , H. B. Naveed , K. Zhou , H. Yan , Z. Tang , W. Ma , Adv. Energy Mater. 2020, 10, 2000826.

[62] Y. Li , Y. Cai , Y. Xie , J. Song , H. Wu , Z. Tang , J. Zhang , F. Huang , Y. Sun , Energy Environ. Sci. 2021, 14, 5009.

RIGHTS & PERMISSIONS

2023 2023 The Authors. Energy & Environmental Materials published by John Wiley & Sons Australia, Ltd on behalf of Zhengzhou University.