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广西大学阚志鹏课题组ACS Materials Lett.:18.1%效率的平面异质结有机太阳能电池

导语:单结有机太阳能电池(OSCs)的功率转换效率(PCE)已经接近20%,现阶段高效率的OSCs主要由给体与受体混合在一起的本体异质结(BHJ)作为活性层薄膜的结构。


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1.前言回顾


单结有机太阳能电池(OSCs)的功率转换效率(PCE)已经接近20%,现阶段高效率的OSCs主要由给体与受体混合在一起的本体异质结(BHJ)作为活性层薄膜的结构。BHJ活性层薄膜结构通过增加给受体界面提高了激子解离效率但同时也增加了双分子复合与能级紊乱;此外,为了制备高效的BHJ-OSCs,往往需要调节给受体的质量比、选择合适的溶剂、通过溶剂退火或后退火调节活性层的形貌。相比于BHJ-OSCs,由纯给体层与受体层作为活性层制备的平面异质结有机太阳能电池(PHJ-OSCs)却可以减少能级紊乱与双分子复合,亦可避免更为复杂的活性层薄膜的形貌调控。


目前,常用的非富勒烯受体(Y6、N3、BTP-eC9、L8-BO等)拥有更大的激子扩散长度,当PHJ-OSCs的效率不受活性层薄膜膜厚的限制时,那么OSCs获得更高的PCE可能通过抑制双分子复合与能级紊乱而实现。


2.文献简介


有鉴于此,近日广西大学物理科学与工程技术学院阚志鹏教授研究团队制备了具有双层结构的聚合物给体(PM6)和非富勒烯受体(N3)的OSCs,研究平面异质结有机太阳能电池(PHJ-OSCs)中电荷复合和能级紊乱的影响。相比于BHJ-OSCs,PHJ-OSCs拥有更高的填充因子(FF)、暗电流更小、载流子迁移率更大、双分子复合更少、电荷提取效率更高及载流子寿命更大,因此,PHJ-OSCs表现出了更为高效的PCE,实现了最高18.1%的PCE,高于BHJ-OSCs的17.2%的PCE,为目前报道的PHJ-OSCs最高效率。DLTS与DOS结果显示,PHJ-OSCs的深能级缺陷态密度更小,通过载流子迁移率、光功率、双分子复合系数、电流随光强变化系数与温度的变化函数拟合的两种OSCs中的能级紊乱度显示PHJ-OSCs的能级紊乱度比BHJ-OSCs小3~5 meV。


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图1:BHJ-OSCs和PHJ-OSCs制备工艺示意图

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图2:BHJ-OSCs和PHJ-OSCs光伏性能。

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图3:BHJ-OSCs和PHJ-OSCs缺陷态与能级紊乱的测试结果

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图4:BHJ-OSCs和PHJ-OSCs活性层薄膜的GIWAXS测试数据。

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图5:BHJ-OSCs和PHJ-OSCs稳定性测试



活性层薄膜的GIWAXS测试数据表明PHJ-OSCs表现出了更有序的薄膜结构。BHJ-OSCs活性层薄膜的结晶性由PM6调控,但PHJ-OSCs活性层薄膜中,PM6和N3对薄膜的结晶性起着同等重要的作用。与此同时,基于BHJ-OSCs与PHJ-OSCs的稳定性测试,两种OSCs的JSC、VOC都显示出了优异的稳定性,但PHJ-OSCs的FF稳定性明显更好,从而使PHJ-OSCs有更好的PCE稳定性。


3.文献总结


综上,本文系统地研究了由宽带隙给体和低带隙受体制备的PHJ-OSCs和BHJ-OSCs器件中的电荷动力学。在由纯给体层和受体层组成的双层活性层薄膜中发现了优越的结晶特征,与本体异质结相比,双分子电荷复合和能级紊乱被有效抑制,因此实现了高达18.1%(平均17.8%)的PCE,这是平面异质结有机太阳能电池的最高PCE之一。由PM6/N3组成的PHJ-OSCs器件表现出18.1%的PCE,优于BHJ-OSCs器件17.2%的PCE,器件FF的改善是影响PCE的主要因素。在PHJ-OSCs中发现了更快的电荷提取、更慢的双分子电荷复合和更少的能级紊乱,从而改善了OSCs的FF。PHJ-OSCs的活性层薄膜由于是纯的给体层与受体层组成,显示出比BHJ-OSCs更好的稳定性。该工作的结果表明,通过PHJ结构的活性层薄膜可以减少双分子电荷复合和能级紊乱,实现更为高效的OSCs,同时为开发溶液处理的有机太阳能电池提供了替代途径。相关研究成果最新发表于国际知名期刊《ACS Materials Letters》上,题为“Suppressing Bimolecular Charge Recombination and Energetic Disorder with Planar Heterojunction Active Layer Enables 18.1% Efficiency Binary Organic Solar Cells”。


本文关键词:平面异质结;双分子电荷复合;能级紊乱;缺陷态密度。


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