Adv. Energy. Mater：Shockley型聚合物-富勒烯太陽能電池

【背景介紹】

基于給體-受體本體異質結（BHJ）光活性層的有機太陽電池是有機光伏器件的主要研究方向。有機太陽電池的能量轉換效率已經超過了10％，最新報道的效率甚至大于13％。然而，由于有機半導體的載流子遷移率通常較低，因此基于給體/受體光活性層體系的太陽電池中的電荷提取速率也較慢，這使得有機太陽電池的光活性層厚度通常被限制在100納米范圍內以實現載流子的高效抽取。但這阻礙了有機太陽電池通過大面積印刷加工而實現工業化。

【成果簡介】

近日，華南理工大學黃飛教授、昆士蘭大學Ardalan Armin博士、波茨坦大學Safa Shoaee博士（共同通訊）等人研究了高效聚合物（NT812）：富勒烯（PC71BM）共混物的電荷輸運和重組性能。研究發現，即使當光活性層厚度達到800納米，該體系也能提供大于?9％的能量轉換效率。實驗結果表明，該材料體系表現出非常低的雙分子復合常數，比擴散控制的電子和空穴相遇率小800倍。基于最近引入的Shockley填充因子模型的理論結果與實驗相比較，證明了這類太陽電池即使在光活性層厚度達到數百納米時，電荷收集也幾乎是理想的。。在活性層厚度大于200納米情況下，表現出肖克利行為（電子在不同電壓下的收集情況不受雙分子復合影響），這一現象在有機太陽電池中極為罕見。相關成果以題為“A Shockley-Type Polymer: Fullerene Solar Cell”發表在了Advanced Energy Materials上。

【圖文導讀】

圖1 化學結構及J-V圖

a）本研究中使用的供體（NT812）和受體（PC71BM）的化學結構

b）典型的NT812：PC71BM太陽能電池的電流密度 - 電壓（J-V）圖

圖2? 注入電流分析

a）使用漂移擴散模擬太陽能電池的模型注入電流

b）在不同的電壓下，厚度為800nm的NT812：PC71BM（1：1.5）太陽能電池的實驗雙注入電流

c）電流瞬變的導數

d）活性層厚度為300和800nm的NT812：PC71BM太陽能電池的電阻相關光電壓（RPV）瞬變

e）箱子的不確定性范圍內較快和較慢載流子的遷移時間

f）更快和更慢的載流子遷移率作為電場的函數

圖3 NT812的雙注入電流：PC71BM太陽能電池

a）穩態注入電流作為電壓的函數

b）正向偏置電壓為1.5V的瞬態暗注入電流歸一化

圖4 NT812:PC71BM太陽能電池的實驗FF和改進Shockley模型的預測比較

a）實驗FF與品質因數α和計算值

b）1:1.5,1:3和3:1的FF作為品質因數α的函數

c）相同器件的FF作為活性層厚度的函數

【小結】

該研究組發現NT812聚合物與PC71BM的共混物表現出明顯減少的雙分子復合行為; 比擴散控制的電子和空穴相遇率小800倍。該材料體系是一種可用于大面積印刷加工有機太陽電池的理想材料，因為它可以在數百納米的厚度范圍內實現高光-電轉換效率。此外，造成復合強度下降的確切原因是有機光電學領域正在進行的重要研究課題，NT812:PC71BM系統可以作為一個理想的模型系統發揮重要作用。

文獻鏈接：A Shockley-Type Polymer: Fullerene Solar Cell（Adv.Energy.Mater,2017,DOI:10.1002/aenm.201701450）

本文由材料人新能源前線Allen供稿，材料牛整理編輯。

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