Simultaneous modification of the dye and redox shuttle boosts the efficiency of a dye-sensitized solar cell.

The past several years have witnessed the rapid emergence of a class of solar cells based on mixed organic–inorganic halide perovskites. Today’s state-of-the-art perovskite solar cells (PSCs) employ various methods to enhance nucleation and improve the smoothness of the perovskite films formed via solution processing. However, the lack of precise control over the crystallization process creates a risk of forming unwanted defects, for example, pinholes and grain boundaries. Here, we introduce an approach to prepare perovskite films of high electronic quality by using poly(methyl methacrylate) (PMMA) as a template to control nucleation and crystal growth. We obtain shiny smooth perovskite films of excellent electronic quality, as manifested by a remarkably long photoluminescence lifetime. We realize stable PSCs with excellent reproducibility showing a power conversion efficiency (PCE) of up to 21.6% and a certified PCE of 21.02% under standard AM 1.5G reporting conditions. Controlling the crystallization process of perovskite films is crucial to obtaining high efficiency in perovskite solar cells. Bi et al. propose the use of poly(methyl methacrylate) as a template for the controlled nucleation and growth of perovskite crystals achieving efficiency of 21.6%.

Metal halide perovskite solar cells (PSCs) currently attract enormous research interest because of their high solar-to-electric power conversion efficiency (PCE) and low fabrication costs, but their practical development is hampered by difficulties in achieving high performance with large-size devices. We devised a simple vacuum flash–assisted solution processing method to obtain shiny, smooth, crystalline perovskite films of high electronic quality over large areas. This enabled us to fabricate solar cells with an aperture area exceeding 1 square centimeter, a maximum efficiency of 20.5%, and a certified PCE of 19.6%. By contrast, the best certified PCE to date is 15.6% for PSCs of similar size. We demonstrate that the reproducibility of the method is excellent and that the cells show virtually no hysteresis. Our approach enables the realization of highly efficient large-area PSCs for practical deployment.

Chemical doping is an important strategy to alter the charge-transport properties of both molecular and polymeric organic semiconductors that find widespread application in organic electronic devices. We report on the use of a new class of Co(III) complexes as p-type dopants for triarylamine-based hole conductors such as spiro-MeOTAD and their application in solid-state dye-sensitized solar cells (ssDSCs). We show that the proposed compounds fulfill the requirements for this application and that the discussed strategy is promising for tuning the conductivity of spiro-MeOTAD in ssDSCs, without having to rely on the commonly employed photo-doping. By using a recently developed high molar extinction coefficient organic D-π-A sensitizer and p-doped spiro-MeOTAD as hole conductor, we achieved a record power conversion efficiency of 7.2%, measured under standard solar conditions (AM1.5G, 100 mW cm(-2)). We expect these promising new dopants to find widespread applications in organic electronics in general and photovoltaics in particular.

Dye-sensitized solar cells are a promising alternative to traditional inorganic semiconductor-based solar cells. Here we report an open-circuit voltage of over 1,000 mV in mesoscopic dye-sensitized solar cells incorporating a molecularly engineered cobalt complex as redox mediator. Cobalt complexes have negligible absorption in the visible region of the solar spectrum, and their redox properties can be tuned in a controlled fashion by selecting suitable donor/acceptor substituents on the ligand. This approach offers an attractive alternate to the traditional I3−/I− redox shuttle used in dye-sensitized solar cells. A cobalt complex using tridendate ligands [Co(bpy-pz)2]3+/2+(PF6)3/2 as redox mediator in combination with a cyclopentadithiophene-bridged donor-acceptor dye (Y123), adsorbed on TiO2, yielded a power conversion efficiency of over 10% at 100 mW cm−2. This result indicates that the molecularly engineered cobalt redox shuttle is a legitimate alternative to the commonly used I3−/I− redox shuttle. Dye-sensitized solar cells are a promising alternative to traditional inorganic semiconductor-based solar cells. Yumet al. use a molecularly engineered cobalt complex as a redox mediator to achieve an open-circuit voltage of over 1,000 mV in a mesoscopic dye-sensitized solar cell.

We report two new molecularly engineered push–pull dyes, i.e., YA421 and YA422, based on substituted quinoxaline as a π-conjugating linker and bulky-indoline moiety as donor and compared with reported IQ4 dye. Benefitting from increased steric hindrance with the introduction of bis(2,4-dihexyloxy)benzene substitution on the quinoxaline, the electron recombination between redox electrolyte and the TiO2 surface is reduced, especially in redox electrolyte employing Co(II/III) complexes as redox shuttles. It was found that the open circuit photovoltages of IQ4, YA421, and YA422 devices with cobalt-based electrolyte are higher than those with iodide/triiodide electrolyte by 34, 62, and 135 mV, respectively. Moreover, the cells employing graphene nanoplatelets on top of gold spattered film as a counter electrode (CE) show lower charge-transfer resistance compared to platinum as a CE. Consequently, YA422 devices deliver the best power conversion efficiency due to higher fill factor, reaching 10.65% at AM 1.5 simulated sunlight. Electrochemical impedance spectroscopy and transient absorption spectroscopy analysis were performed to understand the electrolyte influence on the device performances with different counter electrode materials and donor structures of donor−π–acceptor dyes. Laser flash photolysis experiments indicate that even though the dye regeneration of YA422 is slower than that of the other two dyes, the slower back electron transfer of YA422 contributes to the higher device performance.

A fullerene derivative (α-bis-PCBM) is purified from an as-produced bis-phenyl-C61 -butyric acid methyl ester (bis-[60]PCBM) isomer mixture by preparative peak-recycling, high-performance liquid chromatography, and is employed as a templating agent for solution processing of metal halide perovskite films via an antisolvent method. The resulting α-bis-PCBM-containing perovskite solar cells achieve better stability, efficiency, and reproducibility when compared with analogous cells containing PCBM. α-bis-PCBM fills the vacancies and grain boundaries of the perovskite film, enhancing the crystallization of perovskites and addressing the issue of slow electron extraction. In addition, α-bis-PCBM resists the ingression of moisture and passivates voids or pinholes generated in the hole-transporting layer. As a result, a power conversion efficiency (PCE) of 20.8% is obtained, compared with 19.9% by PCBM, and is accompanied by excellent stability under heat and simulated sunlight. The PCE of unsealed devices dropped by less than 10% in ambient air (40% RH) after 44 d at 65 °C, and by 4% after 600 h under continuous full-sun illumination and maximum power point tracking, respectively.

Good Co-op: A novel cyclopentadithiophene-bridged donor–acceptor dye applied as sensitizer in mesoscopic dye-sensitized solar cells, in conjunction with the cobalt complexes [CoII(bpy)3](B(CN)4)2 and [CoIII(bpy)3](B(CN)4)3 as redox couple, yields high power conversion efficiencies (up to 9.6 %) under standard AM 1.5G solar irradiation. The results confirm that cobalt complexes are legitimate alternatives to the commonly used I−/I3− redox shuttle when used with judiciously engineered organic sensitizers.