Solar cells fabricated using alkyl ammonium metal halides as light absorbers have the right combination of high power conversion efficiency and ease of fabrication to realize inexpensive but efficient thin film solar cells. However, they degrade under prolonged exposure to sunlight. Herein, we show that this degradation is quasi-reversible, and that it can be greatly lessened by simple modifications of the solar cell operating conditions. We studied perovskite devices using electrochemical impedance spectroscopy (EIS) with methylammonium (MA)-, formamidinium (FA)-, and MA(x)FA(1-x) lead triiodide as active layers. From variable temperature EIS studies, we found that the diffusion coefficient using MA ions was greater than when using FA ions. Structural studies using powder X-ray diffraction (PXRD) show that for MAPbI3 a structural change and lattice expansion occurs at device operating temperatures. On the basis of EIS and PXRD studies, we postulate that in MAPbI3 the predominant mechanism of accelerated device degradation under sunlight involves thermally activated fast ion transport coupled with a lattice-expanding phase transition, both of which are facilitated by absorption of the infrared component of the solar spectrum. Using these findings, we show that the devices show greatly improved operation lifetimes and stability under white-light emitting diodes, or under a solar simulator with an infrared cutoff filter or with cooling.

Interface engineering is critical for achieving efficient solar cells, yet a comprehensive understanding of the interface between a metal electrode and electron transport layer (ETL) is lacking. Here, a significant power conversion efficiency (PCE) improvement of fullerene/perovskite planar heterojunction solar cells from 7.5% to 15.5% is shown by inserting a fulleropyrrolidine interlayer between the silver electrode and ETL. The interface between the metal electrode and ETL is carefully examined using a variety of electrical and surface potential techniques. Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) measurements demonstrate that the interlayer enhances recombination resistance, increases electron extraction rate, and prolongs free carrier lifetime. Kelvin probe force microscopy (KPFM) is used to map the surface potential of the metal electrode and it indicates a uniform and continuous work function decrease in the presence of the fulleropyrrolidine interlayer. Additionally, the planar heterojunction fullerene/perovskite solar cells are shown to have good stability under ambient conditions.

Perovskite-containing tandem solar cells are attracting attention for their potential to achieve high efficiencies. We demonstrate a series connection of a ∼ 90 nm thick perovskite front subcell and a ∼ 100 nm thick polymer:fullerene blend back subcell that benefits from an efficient graded recombination layer containing a zwitterionic fullerene, silver (Ag), and molybdenum trioxide (MoO3). This methodology eliminates the adverse effects of thermal annealing or chemical treatment that occurs during perovskite fabrication on polymer-based front subcells. The record tandem perovskite/polymer solar cell efficiency of 16.0%, with low hysteresis, is 75% greater than that of the corresponding ∼ 90 nm thick perovskite single-junction device and 65% greater than that of the polymer single-junction device. The high efficiency of this hybrid tandem device, achieved using only a ∼ 90 nm thick perovskite layer, provides an opportunity to substantially reduce the lead content in the device, while maintaining the high performance derived from perovskites.

A significant challenge in the rational design of organic thermoelectric materials is to realize simultaneously high electrical conductivity and high induced-voltage in response to a thermal gradient, which is represented by the Seebeck coefficient. Conventional wisdom posits that the polymer alone dictates thermoelectric efficiency. Herein, we show that doping - in particular, clustering of dopants within conjugated polymer films - has a profound and predictable influence on their thermoelectric properties. We correlate Seebeck coefficient and electrical conductivity of iodine-doped poly(3-hexylthiophene) and poly[2,5-bis(2-octyldodecyl)pyrrolo[3,4-c]pyrrole-1,4(2H,5H)-dione-3,6-diyl)-alt-(2,2';5',2'';5'',2'''-quaterthiophen-5,5'''-diyl)] films with Kelvin probe force microscopy to highlight the role of the spatial distribution of dopants in determining overall charge transport. We fit the experimental data to a phonon-assisted hopping model and found that the distribution of dopants alters the distribution of the density of states and the Kang-Snyder transport parameter. These results highlight the importance of controlling dopant distribution within conjugated polymer films for thermoelectric and other electronic applications.

Herein we demonstrate that efficient perovskite solar cells can be fabricated by a desktop multi-channel inkjet printer. In this approach, different alkyl-ammonium counterions were loaded separately into the printer cartridges and deposited onto PbI2 coated substrates. Structural as well as electronic properties of perovskite solar cells can be tuned by varying the composition ratio of multiple cations in-situ through the RGB color codes of the multi-channel inkjet printer. This roll-to-roll compatible technique provides rapid and facile screening of multiple and mixed counterion perovskite solar cell systems with high reproducibility, potentially leading to possibilities of high-throughput screening technique in future perovskite solar cell fabrication.

Poly(Phenylene vinylene) anionic polyelectrolyte (PVBT-SO3) was found to be an efficient hole extraction layer for inverted perovskite solar cells. It can be cast from an aqueous solution and does not require thermal annealing for improved device performance. The devices show maximum solar cell efficiency of 15.9% and exhibit improved stability under ambient conditions and enhanced charge extraction. As a service to our authors and readers, this journal provides supporting information supplied by the authors. Such materials are peer reviewed and may be re-organized for online delivery, but are not copy-edited or typeset. Technical support issues arising from supporting information (other than missing files) should be addressed to the authors. Please note: The publisher is not responsible for the content or functionality of any supporting information supplied by the authors. Any queries (other than missing content) should be directed to the corresponding author for the article.

We address here the need for a general strategy to control molecular assembly over multiple length scales. Efficient organic photovoltaics require an active layer comprised of a mesoscale interconnected networks of nanoscale aggregates of semiconductors. We demonstrate a method, using principles of molecular self-assembly and geometric packing, for controlled assembly of semiconductors at the nanoscale and mesoscale. Nanoparticles of poly(3-hexylthiophene) (P3HT) or [6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PCBM) were fabricated with targeted sizes. Nanoparticles containing a blend of both P3HT and PCBM were also fabricated. The active layer morphology was tuned by the changing particle composition, particle radii, and the ratios of P3HT:PCBM particles. Photovoltaic devices were fabricated from these aqueous nanoparticle dispersions with comparable device performance to typical bulk-heterojunction devices. Our strategy opens a revolutionary pathway to study and tune the active layer morphology systematically while exercising control of the component assembly at multiple length scales.

We studied ion transport in hybrid organic–inorganic perovskite p-i-n devices as a function of applied bias under device operating conditions. Using electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and equivalent circuit modeling, we elucidated various resistive and capacitive elements in the device. We show that ion migration is predictably influenced by a low applied forward bias, characterized by an increased capacitance at the hole-transporting (HTM) and electron-transporting material (ETM) interfaces, as well as in bulk. However, unlike observations in n-i-p devices, we found that there is a capacitive discharge leading to ion redistribution in the bulk at high forward biases. Furthermore, we show that a chemical double-layer capacitance buildup as a result of ion accumulation impacts the electronic properties of the device, likely by inducing either charge pinning or charge screening, depending on the direction of the ion-induced field. Lastly, we extrapolate ion diffusion coefficients (∼10–7 cm2 s–1) and ionic conductivities (∼10–7 S cm–1) from the Warburg mass (ion) diffusion response and show that, as the device degrades, there is an overall depletion of capacitive effects coupled with increased ion mobility.

We report the processing conditions for fabricating efficient organic solar cells from aqueous dispersions of conjugated polymer nanoparticles.

Fabricating macromolecular mesoscale assemblies containing disparate components with targeted molecular order for each of the components on the nanoscale and targeted assembly of the components in the mesoscale is a challenge. In this Perspective, we explore the self-assembly of polymer nanoparticles as a viable route to obtain tunable mesostructured materials. We describe the state-of-the-art methods available for and the challenges to obtain spherical and nonspherical polymer nanoparticles. We discuss the predicted ordered assemblies and disordered assemblies of nanoparticles and the challenges to obtain these assemblies in polymer nanoparticles. We also comment on the rich and future opportunities in the burgeoning field of polymer nanoparticle assemblies.