We combine steady-state with transient optoelectronic characterization methods to understand the operation of photovoltaic devices based on a benchmark model squaraine blended with a fullerene acceptor. These devices suffer from a gradual decrease in the fill factor when increasing the active layer thickness and incident light intensity. Using transient photocurrent, transient photovoltage, and bias-assisted charge extraction measurements, we show that the fill factor deteriorates due to slow charge carrier collection competing with bimolecular recombination. Under normal operating conditions, we find a bimolecular recombination rate constant of ∼10–17 m3 s−1, which corresponds to a reduction of one to two orders of magnitude compared to the Langevin model.

1.
S. F.
Völker
,
S.
Uemura
,
M.
Limpinsel
,
M.
Mingebach
,
C.
Deibel
,
V.
Dyakonov
, and
C.
Lambert
,
Macromol. Chem. Phys.
211
,
1098
(
2010
).
2.
G.
Wei
,
X.
Xiao
,
S.
Wang
,
K.
Sun
,
K. J.
Bergemann
,
M. E.
Thompson
, and
S. R.
Forrest
,
ACS Nano
6
,
972
(
2012
).
3.
G.
Chen
,
H.
Sasabe
,
Z.
Wang
,
X.
Wang
,
Z.
Hong
,
J.
Kido
, and
Y.
Yang
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
14
,
14661
(
2012
).
4.
J. W.
Ryan
,
T.
Kirchartz
,
A.
Viterisi
,
J.
Nelson
, and
E.
Palomares
,
J. Phys. Chem. C
117
,
19866
(
2013
).
5.
Y.-T.
Fu
,
D. A.
da Silva Filho
,
G.
Sini
,
A. M.
Asiri
,
S. G.
Aziz
,
C.
Risko
, and
J.-L.
Brédas
,
Adv. Funct. Mater.
24
,
3790
(
2014
).
6.
S.
Brück
,
C.
Krause
,
R.
Turrisi
,
L.
Beverina
,
S.
Wilken
,
W.
Saak
,
A.
Lützen
,
H.
Borchert
,
M.
Schiek
, and
J.
Parisi
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
16
,
1067
(
2014
).
7.
G.
Chen
,
H.
Sasabe
,
T.
Igarashi
,
Z.
Hong
, and
J.
Kido
,
J. Mater. Chem. A
3
,
14517
(
2015
).
8.
C.
Zheng
,
D.
Bleier
,
I.
Jalan
,
S.
Pristash
,
A. R.
Penmetcha
,
N. J.
Hestand
,
F. C.
Spano
,
M. S.
Pierce
,
J. A.
Cody
, and
C. J.
Collison
,
Sol. Energy Mater. Sol. Cells
157
,
366
(
2016
).
9.
P. C. R.
Varma
and
M. A. G.
Namboothiry
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
18
,
3438
(
2016
).
10.
M.
Binda
,
A.
Iacchetti
,
D.
Natali
,
L.
Beverina
,
M.
Sassi
, and
M.
Sampietro
,
Appl. Phys. Lett.
98
,
073303
(
2011
).
11.
S.
Bellani
,
A.
Iacchetta
,
M.
Porro
,
L.
Beverin
,
M.
Antognazza
, and
D.
Natali
,
Org. Electron.
22
,
56
(
2015
).
12.
M.
Schulz
,
M.
Mack
,
O.
Kolloge
,
A.
Lützen
, and
M.
Schiek
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
19
,
6996
(
2017
).
13.
O. S.
Abdullaeva
,
M.
Schulz
,
F.
Balzer
,
J.
Parisi
,
A.
Lützen
,
K.
Dedek
, and
M.
Schiek
,
Langmuir
32
,
8533
(
2016
).
14.
G.
Chen
,
H.
Sasabe
,
Z.
Wang
,
X.-F.
Wang
,
Z.
Hong
,
Y.
Yang
, and
J.
Kido
,
Adv. Mater.
24
,
2768
(
2012
).
15.
R.
Mauer
,
I. A.
Howard
, and
F.
Laquai
,
J. Phys. Chem. Lett.
1
,
3500
(
2010
).
16.
R. A.
Street
,
S.
Cowan
, and
A. J.
Heeger
,
Phys. Rev. B
82
,
121301
(
2010
).
17.
J.
Kniepert
,
M.
Schubert
,
J. C.
Blakesley
, and
D.
Neher
,
J. Phys. Chem. Lett.
2
,
700
(
2011
).
18.
D.
Bartesaghi
,
I. D.
Carmen Pérez
,
J.
Kniepert
,
S.
Roland
,
M.
Turbiez
,
D.
Neher
, and
L. J. A.
Koster
,
Nat. Commun.
6
,
7083
(
2015
).
19.
D.
Neher
,
J.
Kniepert
,
A.
Elimelech
, and
L. J.
Koster
,
Sci. Rep.
6
,
24861
(
2016
).
20.
P.
Kaienburg
,
U.
Rau
, and
T.
Kirchartz
,
Phys. Rev. Appl.
6
,
024001
(
2016
).
21.
M.
Stolterfoht
,
A.
Armin
,
B.
Philippa
, and
D.
Neher
,
J. Phys. Chem. Lett.
7
,
4716
(
2016
).
22.
S. R.
Cowan
,
R. A.
Street
,
S.
Cho
, and
A. J.
Heeger
,
Phys. Rev. B
83
,
035205
(
2011
).
23.
T.
Kirchartz
and
J.
Nelson
,
Phys. Rev. B
86
,
165201
(
2012
).
24.
T.
Kirchartz
,
F.
Deledalle
,
P. S.
Tuladhar
,
J. R.
Durrant
, and
J.
Nelson
,
J. Phys. Chem. Lett.
4
,
2371
(
2013
).
25.
J.
Blakesley
and
D.
Neher
,
Phys. Rev. B
84
,
075210
(
2011
).
26.
T.
Kirchartz
,
B. E.
Pieters
,
J.
Kirkpatrick
,
U.
Rau
, and
J.
Nelson
,
Phys. Rev. B
83
,
115209
(
2011
).
27.
S. A.
Hawks
,
G.
Li
,
Y.
Yang
, and
R. A.
Street
,
J. Appl. Phys.
116
,
074503
(
2014
).
28.
S.
Wheeler
,
F.
Deledalle
,
N.
Tokmoldin
,
T.
Kirchartz
,
J.
Nelson
, and
J. R.
Durrant
,
Phys. Rev. Appl.
4
,
024020
(
2015
).
29.
I.
Zonno
,
B.
Krogmeier
,
V.
Katte
,
D.
Lübke
,
A.
Martinez-Otero
, and
T.
Kirchartz
,
Appl. Phys. Lett.
109
,
183301
(
2016
).
30.
S.
Solak
,
P. W. M.
Blom
, and
G. A. H.
Wetzelaer
,
Appl. Phys. Lett.
109
,
053302
(
2016
).
31.
L. J. A.
Koster
,
V. D.
Mihailetchi
, and
P. W. M.
Blom
,
Appl. Phys. Lett.
88
,
052104
(
2006
).
32.
J.
Kniepert
,
I.
Lange
,
N. J.
van der Kaap
,
L. J. A.
Koster
, and
D.
Neher
,
Adv. Energy Mater.
4
,
1301401
(
2014
).
33.
A.
Maurano
,
C. G.
Shuttle
,
R.
Hamilton
,
A. M.
Ballantyne
,
J.
Nelson
,
W.
Zhang
,
M.
Heeney
, and
J. R.
Durrant
,
J. Phys. Chem. C
115
,
5947
(
2011
).
34.
M. P.
Langevin
,
Ann. Chim. Phys.
28
,
433
(
1903
).
35.
G.
Lakhwani
,
A.
Rao
, and
R. H.
Friend
,
Annu. Rev. Phys. Chem.
65
,
557
(
2014
).
36.
M. C.
Heiber
,
C.
Baumbach
,
V.
Dyakonov
, and
C.
Deibel
,
Phys. Rev. Lett.
114
,
136602
(
2015
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.