The objective of MONOPOLY project is to produce highly efficient, robust and stable solar cells using novel all-polymer NFA photoactive materials to fulfill all the following conditions: reach a stabilized efficiency over 15% towards 17% as ultimate milestone and 10 years stability in solar cells with an active area over 1 cm², processed in air using more industrial compatible solvents or nonhalogenated solvents and thick blend layers as well as using device structures compatible with OPV industry including both solution processed interfacial layers. The combination of all these properties within a single all polymer blend represents a real breakthrough in the field of PSCs.

Project labeled by the Capenergies competitiveness cluster

Résumé

Grâce à l'essor des accepteurs non fullerènes (NFA) et à leur utilisation dans des mélanges ternaires, le rendement de conversion énergétique (PCE) des cellules solaires à base de polymère a augmenté ces années, jusqu'à 19 % pour des cellules de laboratoire d'une taille de quelques mm2. Malgré ces progrès, l'impression à l’air de cellules à base de NFA à l’échelle du cm2 avec une structure de dispositif et des matériaux interfaciaux industriels entraîne de fortes pertes du PCE. Pour réduire cet écart entre laboratoire et industrie mais aussi atteindre la stabilité requise de 10 ans, le principal défi est de s'attaquer aux faiblesses de la technologie NFA. Ces NFA et leur traitement doivent être compatibles avec les exigences industrielles pour concevoir des couches épaisses à base de NFA stables et performants. Pour atteindre ces objectifs, MONOPOLY se concentrera sur i) une meilleure compréhension des mécanismes de photodégradation des NFA et des cellules solaires, ii) la synthèse de nouveaux NFA, molécules et polymères, présentant une meilleure stabilité photochimique et morphologique et iii) l'utilisation d'une technique assistée par l'apprentissage automatique pour l'optimisation de la composition des mélanges ternaires afin d'améliorer les performances des couches épaisses. Les nouveaux polymères NFA permettront de réaliser des dispositifs tout-polymère avec un fort potentiel pour résoudre les problèmes de morphologie liés à la stabilité et/ou à la mobilité. En outre, l'étude de la cristallinité et de la mobilité des porteurs dans les mélanges binaires et ternaires par diffraction des rayons X, spectroscopie Raman et OFET vise à améliorer les performances des mélanges à couche épaisse, mais aussi leur photostabilité et leur stabilité morphologique. L'objectif de MONOPOLY est de produire de nouveaux NFA pour atteindre un PCE de plus de 15% et 10 ans de stabilité dans des cellules solaires de taille cm2 compatibles avec les exigences industrielles.

Abstract

Thanks to the rise of non-fullerene acceptors (NFAs), and their use in ternary blends, the power conversion efficiency (PCE) of polymer solar cells within a few years significantly increased up to 19% using laboratory cells of a few mm2 size. Despite these advances, fully printing of state-of-the-art NFA solar cells in air at cm2 size using industrial device structure and interfacial materials leads to strong performance losses. Furthermore, stability of NFA materials and corresponding devices are still unsatisfactory. To narrow the PCE gap between laboratory and industrial processed devices and achieve stability requirement of 10 years, the major challenge is now to tackle weaknesses in the NFA technology. It is necessary to make NFA materials and their processing more compatible with industrial requirements and to design robust air processable thick layers made of stable and high performing NFA materials. To reach these goals, the MONOPOLY project will focus on i) deeper understanding of photo-degradation mechanisms in NFA materials and solar cells, ii) synthesis of novel NFA-molecules and NFA-polymers with better photochemical and morphological stability and (ii) use of machine learning-assisted technique for ternary blend composition optimization to enhance performance of thick blend layers. Importantly, novel NFA polymers allow to process all-polymer solar cells with high potential to solve morphology issues related to stability and/or mobility. Furthermore, studying crystallinity and carrier mobility in binary and ternary blends via combining X-ray diffraction, Raman spectroscopy and OFETs aims not only to enhance performance of thick layer blends but also their photo- and morphological stability. The overall aim of MONOPOLY is to produce novel NFA composite materials allowing to reach over 15% PCE and 10 years stability in cm2 sized solar cells compatible with industrial requirements.