Medición Absoluta de la Composición de Dominio y Distribución de Tamaño a Escala Nanoscale Explica el Rendimiento en Celdas Solares PTB7:PC71BM

Resumen La importancia de la morfología para el rendimiento de las celdas solares orgánicas es bien conocida, pero hasta la fecha, la falta de información morfológica cuantitativa, a escala nanoscale y estadística ha obstaculizado la obtención de vínculos directos con la función del dispositivo. Aquí se combinan la dispersión de rayos X resonante y la microscopía para medir cuantitativamente el tamaño de dominio a escala nanoscale, su distribución y composición en celdas solares de alta eficiencia basadas en PTB7 y PC 71 BM. Los resultados muestran que el aditivo disolvente diiodooctano reduce drásticamente el tamaño del dominio de los aglomerados de fullereno puro que están incrustados en una matriz mezclada molecularmente rica en polímero de 70/30 % en peso, mientras que se preserva la composición del dominio en relación con los dispositivos sin aditivos. La miscibilidad fundamental entre las especies –medida para ser igual a la composición de la matriz del dispositivo– es probablemente el factor dominante detrás de la morfología general, siendo el aditivo el que afecta la dispersión del fullereno en exceso. Como incluso el orden molecular medido por difracción de rayos X no cambia entre las dos rutas de procesamiento, el cambio en la distribución del tamaño de dominio y, por ende, el aumento en la interfaz de dominio son principalmente responsables del dramático aumento en el rendimiento del dispositivo. Mientras que la recolección de excitones de fullereno es claramente una causa significativa del incremento debido a los dominios más pequeños, un aumento medido en la recolección de las especies de polímero indica que la mezcla molecular no es la razón de la alta eficiencia en este sistema. Más bien, las excitaciones en el polímero probablemente requieren proximidad a una fase de fullereno puro para una separación y transporte de carga eficientes. Además, a diferencia de mediciones anteriores en un sistema basado en PTB7, no se observó una morfología jerárquica, indicando que no es necesaria para un alto rendimiento.