Monolithically integrated hybrid tandem solar cells that effectively combine solution-processed colloidal quantum dot (CQD) and organic bulk heterojunction subcells to achieve tandem performance that surpasses the individual subcell efficiencies have not been demonstrated to date. In this work, we demonstrate hybrid tandem cells with a low bandgap PbS CQD subcell harvesting the visible and near-infrared photons and a polymer:fullerene—poly (diketopyrrolopyrrole-terthiophene) (PDPP3T):[6,6]-phenyl-C60-butyric acid methyl ester (PC61BM)—top cell absorbing effectively the red and near-infrared photons of the solar spectrum in a complementary fashion. The two subcells are connected in series via an interconnecting layer (ICL) composed of a metal oxide layer, a conjugated polyelectrolyte, and an ultrathin layer of Au. The ultrathin layer of Au forms nano-islands in the ICL, reducing the series resistance, increasing the shunt resistance, and enhancing the device fill-factor. The hybrid tandems reach a power conversion efficiency (PCE) of 7.9%, significantly higher than the PCE of the corresponding individual single cells, representing one of the highest efficiencies reported to date for hybrid tandem solar cells based on CQD and polymer subcells.

1.
A. J.
Heeger
,
Adv. Mater.
26
,
10
28
(
2014
).
2.
L.
Dou
,
J.
You
,
Z.
Hong
,
Z.
Xu
,
G.
Li
,
R. A.
Street
, and
Y.
Yang
,
Adv. Mater.
25
,
6642
6671
(
2013
).
3.
J. Y.
Kim
,
O.
Voznyy
,
D.
Zhitomirsky
, and
E. H.
Sargent
,
Adv. Mater.
25
,
4986
5010
(
2013
).
4.
B. I.
MacDonald
,
A.
Martucci
,
S.
Rubanov
,
S. E.
Watkins
,
P.
Mulvaney
, and
J. J.
Jasieniak
,
ACS Nano
6
,
5995
6004
(
2012
).
5.
S.
Li
,
L.
Ye
,
W.
Zhao
,
S.
Zhang
,
S.
Mukherjee
,
H.
Ade
, and
J.
Hou
,
Adv. Mater.
28
,
9423
9429
(
2016
).
6.
D.
Baran
,
R. S.
Ashraf
,
D. A.
Hanifi
,
M.
Abdelsamie
,
N.
Gasparini
,
J. A.
Röhr
,
S.
Holliday
,
A.
Wadsworth
,
S.
Lockett
,
M.
Neophytou
,
C. J. M.
Emmott
,
J.
Nelson
,
C. J.
Brabec
,
A.
Amassian
,
A.
Salleo
,
T.
Kirchartz
,
J. R.
Durrant
, and
I.
McCulloch
,
Nat. Mater.
16
,
363
369
(
2017
).
7.
C.-H. M.
Chuang
,
P. R.
Brown
,
V.
Bulović
, and
M. G.
Bawendi
,
Nat. Mater.
13
,
796
801
(
2014
).
8.
M.
Liu
,
O.
Voznyy
,
R.
Sabatini
,
F. P.
García de Arquer
,
R.
Munir
,
A. H.
Balawi
,
X.
Lan
,
F.
Fan
,
G.
Walters
,
A. R.
Kirmani
,
S.
Hoogland
,
F.
Laquai
,
A.
Amassian
, and
E. H.
Sargent
,
Nat. Mater.
16
,
258
263
(
2017
).
9.
J. Y.
Kim
,
K.
Lee
,
N. E.
Coates
,
D.
Moses
,
T. Q.
Nguyen
,
M.
Dante
, and
A. J.
Heeger
,
Science
317
,
222
225
(
2007
).
10.
A.
Hadipour
,
B.
de Boer
, and
P. W. M.
Blom
,
Adv. Funct. Mater.
18
,
169
181
(
2008
).
11.
L.
Dou
,
J.
You
,
J.
Yang
,
C.-C.
Chen
,
Y.
He
,
S.
Murase
,
T.
Moriarty
,
K.
Emery
,
G.
Li
, and
Y.
Yang
,
Nat. Photonics
6
,
180
185
(
2012
).
12.
X.
Wang
,
G. I.
Koleilat
,
J.
Tang
,
H.
Liu
,
I. J.
Kramer
,
R.
Debnath
,
L.
Brzozowski
,
D. A. R.
Barkhouse
,
L.
Levina
,
S.
Hoogland
, and
E. H.
Sargent
,
Nat. Photonics
5
,
480
484
(
2011
).
13.
J. J.
Choi
,
W. N.
Wenger
,
R. S.
Hoffman
,
Y.-F.
Lim
,
J.
Luria
,
J.
Jasieniak
,
J. A.
Marohn
, and
T.
Hanrath
,
Adv. Mater.
23
,
3144
3148
(
2011
).
14.
Y.
Gao
,
V. M.
Le Corre
,
A.
Gaïtis
,
M.
Neophytou
,
M. A.
Hamid
,
K.
Takanabe
, and
P. M.
Beaujuge
,
Adv. Mater.
28
,
3366
3373
(
2016
).
15.
W.
Li
,
A.
Furlan
,
K. H.
Hendriks
,
M. M.
Wienk
, and
R. A. J.
Janssen
,
J. Am. Chem. Soc.
135
,
5529
5532
(
2013
).
16.
C.-C.
Chen
,
W.-H.
Chang
,
K.
Yoshimura
,
K.
Ohya
,
J.
You
,
J.
Gao
,
Z.
Hong
, and
Y.
Yang
,
Adv. Mater.
26
,
5670
5677
(
2014
).
17.
A. G.
Pattantyus-Abraham
,
I. J.
Kramer
,
A. R.
Barkhouse
,
X.
Wang
,
G.
Konstantatos
,
R.
Debnath
,
L.
Levina
,
I.
Raabe
,
M. K.
Nazeeruddin
,
M.
Gratzel
, and
E. H.
Sargent
,
ACS Nano
4
,
3374
3380
(
2010
).
18.
A. R.
Kirmani
,
G. H.
Carey
,
M.
Abdelsamie
,
B.
Yan
,
D.
Cha
,
L. R.
Rollny
,
X.
Cui
,
E. H.
Sargent
, and
A.
Amassian
,
Adv. Mater.
26
,
4717
4723
(
2014
).
19.
T.
Kim
,
Y.
Gao
,
H.
Hu
,
B.
Yan
,
Z.
Ning
,
L. K.
Jagadamma
,
K.
Zhao
,
A. R.
Kirmani
,
J.
Eid
,
M. M.
Adachi
,
E. H.
Sargent
,
P. M.
Beaujuge
, and
A.
Amassian
,
Nano Energy
17
,
196
205
(
2015
).
20.
A.
Martínez-Otero
,
Q.
Liu
,
P.
Mantilla-Perez
,
M. M.
Bajo
, and
J.
Martorell
,
J. Mater. Chem. A
3
,
10681
10686
(
2015
).
21.
Z.
Zheng
,
S.
Zhang
,
M.
Zhang
,
K.
Zhao
,
L.
Ye
,
Y.
Chen
,
B.
Yang
, and
J.
Hou
,
Adv. Mater.
27
,
1189
1194
(
2015
).
22.
D.
Gupta
,
M. M.
Wienk
, and
R. A. J.
Janssen
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
6
,
13937
13944
(
2014
).
23.
Z.
He
,
C.
Zhong
,
S.
Su
,
M.
Xu
,
H.
Wu
, and
Y.
Cao
,
Nat. Photonics
6
,
593
597
(
2012
).
24.
M. J.
Speirs
,
B. G. H. M.
Groeneveld
,
L.
Protesescu
,
C.
Piliego
,
M. V.
Kovalenko
, and
M. A.
Loi
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
16
,
7672
(
2014
).
25.
H.
Aqoma
,
R.
Azmi
,
S.-H.
Oh
, and
S.-Y.
Jang
,
Nano Energy
31
,
403
409
(
2017
).
26.
A. H.
Ip
,
S. M.
Thon
,
S.
Hoogland
,
O.
Voznyy
,
D.
Zhitomirsky
,
R.
Debnath
,
L.
Levina
,
L. R.
Rollny
,
G. H.
Carey
,
A.
Fischer
,
K. W.
Kemp
,
I. J.
Kramer
,
Z.
Ning
,
A. J.
Labelle
,
K. W.
Chou
,
A.
Amassian
, and
E. H.
Sargent
,
Nat. Nanotechnol.
7
,
577
582
(
2012
).
27.
J. C.
Bijleveld
,
A. P.
Zoombelt
,
S. G. J.
Mathijssen
,
M. M.
Wienk
,
M.
Turbiez
,
D. M.
de Leeuw
, and
R. A. J.
Janssen
,
J. Am. Chem. Soc.
131
,
16616
16617
(
2009
).
28.
J.
Wang
,
F.
Zhang
,
M.
Zhang
,
W.
Wang
,
Q.
An
,
L.
Li
,
Q.
Sun
,
W.
Tang
, and
J.
Zhang
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
17
,
9835
9840
(
2015
).
29.
I.
Moreels
,
K.
Lambert
,
D.
Smeets
,
D.
De Muynck
,
T.
Nollet
,
J. C.
Martins
,
F.
Vanhaecke
,
A.
Vantomme
,
C.
Delerue
,
G.
Allan
, and
Z.
Hens
,
ACS Nano
3
,
3023
3030
(
2009
).
30.
Y.
Liu
,
L. A.
Renna
,
M.
Bag
,
Z. A.
Page
,
P.
Kim
,
J.
Choi
,
T.
Emrick
,
D.
Venkataraman
, and
T. P.
Russell
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
8
,
7070
7076
(
2016
).
31.
Y.
Chen
,
W.-C.
Lin
,
J.
Liu
, and
L.
Dai
,
Nano Lett.
14
,
1467
1471
(
2014
).
32.
J. H.
Seo
,
D. H.
Kim
,
S. H.
Kwon
,
M.
Song
,
M. S.
Choi
,
S. Y.
Ryu
,
H. W.
Lee
,
Y. C.
Park
,
J. D.
Kwon
,
K. S.
Nam
,
Y.
Jeong
,
J. W.
Kang
, and
C. S.
Kim
,
Adv. Mater.
24
,
4523
4527
(
2012
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.