Organic–inorganic perovskites, such as CH3NH3PbX3 (X = I, Br, Cl), have emerged as attractive absorber materials for the fabrication of low cost high efficiency solar cells. Over the last 3 years, there has been an exceptional rise in power conversion efficiencies (PCEs), demonstrating the outstanding potential of these perovskite materials. However, in most device architectures, including the simplest thin-film planar structure, a current–voltage response displays an “anomalous hysteresis”, whereby the power output of the cell varies with measurement time, direction and light exposure or bias history. Here we provide insight into the physical processes occurring at the interface between the n-type charge collection layer and the perovskite absorber. Through spectroscopic measurements, we find that electron transfer from the perovskite to the TiO2 in the standard planar junction cells is very slow. By modifying the n-type contact with a self-assembled fullerene monolayer, electron transfer is “switched on”, and both the n-type and p-type heterojunctions with the perovskite are active in driving the photovoltaic operation. The fullerene-modified devices achieve up to 17.3% power conversion efficiency with significantly reduced hysteresis, and stabilized power output reaching 15.7% in the planar p–i–n heterojunction solar cells measured under simulated AM 1.5 sunlight.

A series of fluorophores with single-exponential fluorescence decays in liquid solution at 20 °C were measured independently by nine laboratories using single-photon timing and multifrequency phase and modulation fluorometry instruments with lasers as excitation source. The dyes that can serve as fluorescence lifetime standards for time-domain and frequency-domain measurements are all commercially available, are photostable under the conditions of the measurements, and are soluble in solvents of spectroscopic quality (methanol, cyclohexane, water). These lifetime standards are anthracene, 9-cyanoanthracene, 9,10-diphenylanthracene, N-methylcarbazole, coumarin 153, erythrosin B, N-acetyl-l-tryptophanamide, 1,4-bis(5-phenyloxazol-2-yl)benzene, 2,5-diphenyloxazole, rhodamine B, rubrene, N-(3-sulfopropyl)acridinium, and 1,4-diphenylbenzene. At 20 °C, the fluorescence lifetimes vary from 89 ps to 31.2 ns, depending on fluorescent dye and solvent, which is a useful range for modern pico- and nanosecond time-domain or mega- to gigahertz frequency-domain instrumentation. The decay times are independent of the excitation and emission wavelengths. Dependent on the structure of the dye and the solvent, the excitation wavelengths used range from 284 to 575 nm, the emission from 330 to 630 nm. These lifetime standards may be used to either calibrate or test the resolution of time- and frequency-domain instrumentation or as reference compounds to eliminate the color effect in photomultiplier tubes. Statistical analyses by means of two-sample charts indicate that there is no laboratory bias in the lifetime determinations. Moreover, statistical tests show that there is an excellent correlation between the lifetimes estimated by the time-domain and frequency-domain fluorometries. Comprehensive tables compiling the results for 20 (fluorescence lifetime standard/solvent) combinations are given.

We report the fabrication and measurement of solar cells approaching a power conversion efficiency of 3.2% using a low band gap conjugated polymer poly[2,6-(4,4-bis-(2-ethylhexyl)-4H-cyclopenta[2,1-b;3,4-b′]dithiophene)-alt-4,7-(2,1,3-benzothiadiazole)] and CdSe nanoparticles. These devices exhibit an external quantum efficiency (EQE) of >30% in a broad range of 350−800 nm with a maximum EQE of 55% in a range of 630−720 nm. We also present certified device efficiencies of 3.13% under AM 1.5 illumination.

We report two viable organic excitonic solar cell structures where the conventional In2O3:Sn (ITO) hole-collecting electrode was replaced by a thin single-walled carbon nanotube layer. The first structure includes poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) and gave a nonoptimized device efficiency of 1.5%. The second did not use PEDOT as a hole selective contact and had an efficiency of 0.47%. The strong rectifying behavior of the device shows that nanotubes are selective for holes and are not efficient recombination sites. The reported excitonic solar cell, produced without ITO and PEDOT, is an important step towards a fully printable solar cell.

Abstract As organic photovoltaic efficiencies steadily improve, understanding degradation pathways becomes increasingly important. In this paper, the stability under prolonged illumination of a prototypical polymer:fullerene active layer is studied without the complications introduced by additional layers and interfaces in complete devices. Combining contactless photoconductivity with spectroscopy, structural characterization at the molecular and film level, and quantum chemical calculations, the mechanism of photoinduced degradation in bulk heterojunctions of poly (3‐hexylthiophene) (P3HT) and [6,6]‐phenyl C61‐butyric acid methyl ester (PCBM) is studied. Bare films are subjected to four conditions for 1000 h with either constant illumination or dark and either ambient or inert atmosphere. All samples are found to be intrinsically stable for 1000+ h under inert conditions, in contrast to complete devices. While PCBM stabilizes P3HT films exposed to air, its fullerene cage is found to undergo a series of oxidations that are responsible for the deterioration of the photoconductivity of the material. Quantum chemical calculations show that PCBM oxides have deeper LUMO levels than pristine PCBM and therefore act as traps for electrons in the PCBM domains.

We present a study of the self-assembly, charge-transfer kinetics, and catalytic properties of hybrid complexes of CdTe nanocrystals (nc-CdTe) and Clostridium acetobutylicum [FeFe]-hydrogenase I (H2ase). Molecular assembly of nc-CdTe and H2ase was mediated by electrostatic interactions and resulted in stable, enzymatically active complexes. The assembly kinetics was monitored by nc-CdTe photoluminescence (PL) spectroscopy and exhibited first-order Langmuir adsorption behavior. PL was also used to monitor the transfer of photogenerated electrons from nc-CdTe to H2ase. The extent to which the intramolecular electron transfer (ET) contributed to the relaxation of photoexcited nc-CdTe relative to the intrinsic radiative and nonradiative (heat dissipation and surface trapping) recombination pathways was shown by steady-state PL spectroscopy to be a function of the nc-CdTe/H2ase molar ratio. When the H2ase concentration was lower than the nc-CdTe concentration during assembly, the resulting contribution of ET to PL bleaching was enhanced, which resulted in maximal rates of H2 photoproduction. Photoproduction of H2 was also a function of the nc-CdTe PL quantum efficiency (PLQE), with higher-PLQE nanocrystals producing higher levels of H2, suggesting that photogenerated electrons are transferred to H2ase directly from core nanocrystal states rather than from surface-trap states. The duration of H2 photoproduction was limited by the stability of nc-CdTe under the reactions conditions. A first approach to optimization with ascorbic acid present as a sacrificial donor resulted in photon-to-H2 efficiencies of 9% under monochromatic light and 1.8% under AM 1.5 white light. In summary, nc-CdTe and H2ase spontaneously assemble into complexes that upon illumination transfer photogenerated electrons from core nc-CdTe states to H2ase, with low H2ase coverages promoting optimal orientations for intramolecular ET and solar H2 production.

We report a design strategy that allows the preparation of solution processable n-type materials from low boiling point solvents for organic electrochemical transistors (OECTs). The polymer backbone is based on NDI-T2 copolymers where a branched alkyl side chain is gradually exchanged for a linear ethylene glycol-based side chain. A series of random copolymers was prepared with glycol side chain percentages of 0, 10, 25, 50, 75, 90, and 100 with respect to the alkyl side chains. These were characterized to study the influence of the polar side chains on interaction with aqueous electrolytes, their electrochemical redox reactions, and performance in OECTs when operated in aqueous electrolytes. We observed that glycol side chain percentages of >50% are required to achieve volumetric charging, while lower glycol chain percentages show a mixed operation with high required voltages to allow for bulk charging of the organic semiconductor. A strong dependence of the electron mobility on the fraction of glycol chains was found for copolymers based on NDI-T2, with a significant drop as alkyl side chains are replaced by glycol side chains.

During the past decade, time-resolved microwave conductivity (TRMC) has evolved to an established, powerful technique to study photoactive layers. With this feature paper, we aim to fulfill two goals: (1) give a full description of the photoinduced TRMC technique, including experimental details and data analysis, and discuss to what extent the TRMC technique differs from more conventional DC techniques and (2) illustrate the potential of this technique for probing charge carrier dynamics in photoactive materials. For these reasons recent studies on conjugated polymer:fullerene blends will be presented and discussed. The findings from these studies have advanced the insight into the mechanism of charge carrier generation and decay in polymer:fullerene blends, which allows us to improve the efficiency of organic photovoltaic cells based on this active layer architecture. In short, it is shown how the TRMC technique can be used as a versatile method to screen the potential of new photovoltaic materials.

Abstract Optoelectronic devices based on hybrid halide perovskites have shown remarkable progress to high performance. However, despite their apparent success, there remain many open questions about their intrinsic properties. Single crystals are often seen as the ideal platform for understanding the limits of crystalline materials, and recent reports of rapid, high-temperature crystallization of single crystals should enable a variety of studies. Here we explore the mechanism of this crystallization and find that it is due to reversible changes in the solution where breaking up of colloids, and a change in the solvent strength, leads to supersaturation and subsequent crystallization. We use this knowledge to demonstrate a broader range of processing parameters and show that these can lead to improved crystal quality. Our findings are therefore of central importance to enable the continued advancement of perovskite optoelectronics and to the improved reproducibility through a better understanding of factors influencing and controlling crystallization.