On the upscaling of organic solar cells based on non-fullerene acceptors

En els últims anys, la tecnologia fotovoltaica orgànica (OPV, per les seves sigles en anglès) ha despertat l'atenció de tant la comunitat científica com la industrial, a causa de les seves altes eficiències de conversió energètica, que continuen creixent avui dia, superant actualment el 18%. Aquestes eficiències, en part, s'han aconseguit gràcies a el gran desenvolupament de les petites molècules acceptors, també conegudes com acceptors no basats en ful·lerè (NFA, per les seves sigles en anglès). A més de l'eficiència, la OPV basada en NFA ofereix gran flexibilitat per a modificar el color i l'estabilitat a llarg termini. Aquestes propietats úniques fan de la fotovoltaica orgànica una tecnologia molt prometedora per a la seva intensiva comercialització, ja sigui com a tecnologia integrada en edificis (BIPV, per les seves sigles en anglès) o com a font d'alimentació per a sensors en l'anomenat Internet de les Coses. Aquesta tesi aborda algunes de les qüestions crítiques de la fotovoltaica orgànica que han de ser avaluades perquè aquesta es converteixi en una tecnologia comercialment atractiva. En primer lloc, hem estudiat teòricament les estratègies per controlar l'estètica de les capes fines actives, que absorbeixen la llum. Amb l'ajuda d'un model òptic i un algoritme genètic, hem predit les característiques (composició i gruix) que les barreges de materials han de tenir per a que la capa mostri un color prèviament seleccionat. L'ús de capes basades en NFA ha resultat ser l'estratègia més eficaç per a modificar el color de la capa activa. Com a resultat, els dispositius amb NFA han estat estudiats intensament al llarg d'aquesta tesi. A més, com a pas intermedi cap a l'escalat industrial, la tècnica de deposició assistida amb fulla (blade-coating en anglès) s'ha utilitzat en la majoria dels casos per a la fabricació de cel·les solars en aquesta tesi. A causa de la flexibilitat sintètica dels NFA, hi ha una gran varietat de noves molècules que val la pena estudiar. Es mostren dos exemples de cribratge combinatori utilitzant tècniques d'alt rendiment. En primer lloc, s'apliquen gradients 1D a dispositius basats en NFA i politiofè (P3HT), per ser un dels polímers més barats i més estudiats. Els gradients 1D han permès la fabricació de més de 1.000 dispositius amb variacions controlades de gruix o temperatura post-recuit en les capes fotoactives. Per al sistema més eficient, estudiem i classifiquem la sensibilitat als paràmetres de fabricació. En segon lloc, hem estès els gradients 1D a 2D i hem explorat els polímers més eficients amb NFA. S'ha desenvolupat un mètode simple basat en variacions controlades i simultànies dels paràmetres d'interès. Amb l'ajuda de tècniques de caracterització optoelectròniques i co-locals, aquest mètode permet una ràpida identificació dels valors òptims de gruix i composició de la mescla a través de mapes 2D d'optimització. També s'ha estudiat l'estabilitat a llarg termini del sistema més eficient per ser un factor crític per l'escalat industrial. De la mateixa manera, s'han fabricat mòduls amb tècniques d'impressió industrialment rellevants com la impressió rotativa. La potencial semitransparencia de la OPV s'ha demostrat fabricant mòduls amb un NFA que estén la seva absorció òptica fins a la regió de l'infraroig proper. Per tal de desenvolupar un procés de fabricació sostenible i escalable i industrialment rellevant, els mòduls s'han fabricat seguint les directrius de la indústria de la impressió, incloent l'ús de dissolvents no halogenats, la fabricació en atmosfera normal i tècniques de baix consum energètic. En resum, en aquesta tesi, proporcionem nous coneixements sobre l'escalat de la tecnologia fotovoltaica orgànica, basats en NFA i que aplanen el camí cap a una transferència eficient dels dispositius de l'escala del laboratori a una escala industrialment rellevant.En los últimos años, la tecnología fotovoltaica orgánica (OPV, por sus siglas en inglés) ha despertado la atención de las comunidades científica e industrial debido a sus altas eficiencias de conversión en continuo aumento, superando actualmente el 18%. Éstas, en parte, se han logrado gracias al gran desarrollo de pequeñas moléculas aceptoras, también conocidos como aceptores no basados en fullereno (NFA, por sus siglas en inglés). Además de la eficiencia, la OPV basada en NFAs ofrece gran flexibilidad para modificar el color y presenta buena estabilidad a largo plazo. Estas propiedades hacen de la fotovoltaica orgánica una tecnología muy prometedora para su intensiva comercialización, bien integrada en edificios (BIPV, por sus siglas en inglés) o como fuente de alimentación para sensores en el llamado Internet de las Cosas (IoT, por sus siglas en inglés). Esta tesis aborda algunas de las cuestiones críticas de la fotovoltaica orgánica que deben ser evaluadas para que ésta se convierta en una tecnología comercialmente atractiva. En primer lugar, estudiamos teóricamente las estrategias para controlar la estética de las capas finas absorbentes. Con la ayuda de un modelo óptico y un algoritmo genético, predecimos las características (composición y espesor) que las mezclas de materiales deben tener para que la capa muestre un color previamente elegido. El uso de capas basadas en NFAs resultó ser la estrategia más eficaz para modificar el color de la capa activa. Como resultado, los dispositivos basados en NFAs fueron estudiados en profundidad a lo largo de esta tesis. Además, como paso intermedio hacia el escalado industrial, la técnica de racleta (blade-coating en inglés) se empleó en la mayoría de los casos para la fabricación de celdas solares. Debido a la flexibilidad sintética de los NFAs, hay una gran variedad de nuevas moléculas que merece la pena estudiar. Se muestran dos ejemplos de cribado combinatorio utilizando técnicas de alto rendimiento. En primer lugar, se aplican gradientes 1D a dispositivos basados en NFAs y politiofeno (P3HT, por sus siglas en inglés), por ser uno de los polímeros más baratos y más estudiados. Los gradientes 1D han permitido la fabricación de más de 1.000 dispositivos con variaciones controladas de espesor o temperatura post-recocido en las capas fotoactivas. Para el sistema más eficiente, estudiamos y clasificamos la sensibilidad a los parámetros de fabricación. En segundo lugar, extendimos los gradientes 1D a 2D y exploramos los polímeros más eficientes con NFAs. Se desarrolló un método simple basado en variaciones controladas y simultáneas de los parámetros de interés. Con la ayuda de técnicas de caracterización optoelectrónicas y co-locales, dicho método permite una rápida identificación de los valores óptimos de espesor y composición de la mezcla a través de los mapas 2D de optimización. También se estudió la estabilidad a largo plazo del sistema más eficiente por ser un factor crítico para su escalado industrial. De igual forma, se fabricaron módulos con técnicas de impresión industrialmente relevantes como la impresión rotativa (roll-to-roll, en inglés). La potencial semitransparencia del OPV se demostró fabricando módulos con un NFA que extiende su absorción óptica hasta la región del infrarrojo cercano. Con el fin de desarrollar un proceso de fabricación sostenible y escalable e industrialmente relevante, los módulos se fabricaron siguiendo las directrices de la industria de la impresión, incluyendo el uso de disolventes no halogenados, la fabricación en atmósfera normal y técnicas de bajo consumo energético. En resumen, en esta tesis proporcionamos nuevos conocimientos sobre el escalado de la tecnología fotovoltaica orgánica, basados en NFAs y que allanan el camino hacia una transferencia eficiente de los dispositivos de la escala laboratorio a una escala industrialmente relevante.Over the last years, organic photovoltaic technology (OPV) has drawn the attention of both the scientific and industrial communities due to their increasing performances, currently over 18%. These high efficiencies have been achieved thanks to the chemical development of the small molecular acceptors, also known as non-fullerene acceptors (NFA). Besides the efficiency, NFA-based OPV offers colour and transparency tuneable properties, low embodied energy, and good long-term stability. These unique properties make OPV a suitable technology for their commercialisation as a part of building-integrated photovoltaic systems (BIPV) or for powering the so-called Internet of Things (IoT). This thesis covers some of the critical issues that need to be addressed for OPV to become a truly competitive technology. Firstly, we studied theoretically the strategies for tuning the colour appearance of OPV films. With the aid of an optical model and a genetic algorithm, we predicted the characteristics that photoactive materials should have in order to exhibit a desired colour. The use of non-fullerene acceptors (NFA) for the photoactive blends turned out to be the most effective colour-tuning strategy. As a result, NFAs-based devices were intensively studied in this thesis. Moreover, as an intermediate step towards a large printing scale, the doctor blade technique was employed for most of this thesis work. Due to their synthetic flexibility, there are many NFAs and their processing conditions that are worth studying. Two examples of combinatorial screening using high throughput techniques are given. First, 1D gradients are applied to devices based on NFAs and polythiophene (P3HT), one of the cheapest and most studied polymers. 1D gradients enabled the fabrication of more than 1000 blade-coated devices with controlled variations in thickness or post-annealing temperature at the photoactive layers. For the most efficient system, we studied and ranked the sensitivity of the different manufacturing parameters. Second, we extended this to 2D gradients and explored both low bandgap polymers and NFAs. A simple method was developed based on controlled and simultaneous variations of the parameters of interest. With the aid of co-local optoelectronic characterisation techniques, 2D optimisation maps enable fast identification of the optimum thickness and blend composition values. Long term stability was also studied on selected devices, as a relevant factor for OPV upscaling, together with manufacturing fully roll-to-roll modules. Transparency is another relevant characteristic feature that could enable OPV integration into the potential photoactive windows of the future. Semitransparent laser-patterned modules were fabricated with a NFA that contributes to extend the blend optical absorption up to the near-infrared region. With the aim of developing a sustainable manufacturing process, modules were manufactured following preferences of large-scale printing industry including non-halogenated solvents, air processing and low energy consumption. In summary, in this thesis we provide new insights into the upscaling of NFAs based OPV that pave the way towards an efficient transfer from record lab-devices to fully solution-processed modules