Adv. Mater.：單層中的光生直接自由載流子及堆疊狀有機光伏器件

【引言】

現今報道的幾乎所有的高性能有機光伏（OPV）器件都依賴于激子的分離和光生電荷的產生。為了增強器件的能量轉換效率（PCE），一些報道在OPV結構中利用了具有級聯能級的三層有機層，這種三層堆疊包含兩個高效的P/N結。最近Heremans及其合作者報道了一種具有三分之一有機層的高效器件，該有機層與活性P/N結分離，但是基于長程激子能量轉移機理，其仍能轉移能量至P/N結，用以產生載流子。然而，這種機理對于器件工作的具體過程揭示的并不完全，還有待進一步的研究。

【成果簡介】

近日，來自香港城市大學的李振聲教授和Lo Ming-Fai博士（共同通訊）等人研究了單層中的光生直接自由載流子及堆疊狀有機光伏器件，相關的研究成果以“Direct Free Carrier Photogeneration in Single Layer and Stacked Organic Photovoltaic Devices”為題發表在了Advanced Materials上。

實驗中在Heremans及其合作者工作的基礎上發現了另外一種高效率器件產生的機理。一些雙極性物質，如亞萘酞菁氯（SubNc）和亞酞菁氯（SubPc）在光激發下比傳統的有機半導體能更高效地產生自由載流子。將SubNc或SubPc夾在兩電極間形成的三明治結構單層器件比已報道的單層器件功率轉化率要高30倍。此外，具有相反堆疊次序的雙層器件的內量子效率（IQEs）是各單層器件IQEs內量子效率之和。結果表明，SubNc或SubPc可以在沒有P/N結時在光激發下直接產生自由載流子，這使其可以相反的次序進行堆疊或者簡單地堆疊在其他P/N結上產生光生載流子。

【圖文導讀】

圖1 SubNc基和SubPc基太陽能器件的J-V特性曲線及外量子效率

（a，b）器件在一個太陽光照射下的J-V特性曲線

（c，d）SubNc基（左）和SubPc基（右）太陽能器件的外量子效率（EQE）譜

圖2 SubNc基和SubPc基太陽能器件的log J-V特性曲線及外量子效率

（a）SubNc/ SubPc（空心三角）和SubPc /SubNc（實心三角）在光照下的log J-V曲線

（b）SubNc/ SubPc（空心三角）和SubPc /SubNc（實心三角）在光照下的外量子效率（EQE）譜

圖3 利用橢圓偏振法得到的不同體系的n和k值

（a）利用橢圓偏振法得到的不同體系（SubPc, SubNc, CuPc and C₆₀）的n值

（b）利用橢圓偏振法得到的不同體系（SubPc, SubNc, CuPc and C₆₀）的k值

圖4 集成在不同結構上的OPV電池（實線）的內外量子效率及吸收分布（點線）

（a）ITO/SubPc/Al（左）和ITO/SubNc/Al（右）器件

（b）ITO/SubNc/SubPc/Al（空心三角）和ITO/SubPc/SubNc/Al（實心三角）器件

圖5 具有ITO/SubNc/SubPc/BPhen/Al結構的最佳雙層器件的log J-V特性曲線及外量子效率

（a）光照下的log J-V特性曲線

（b）外量子效率（EQE）譜

【小結】

本文報道的單層SubNc基和SubPc基太陽能器件的性能遠好于先前報道的單層器件。實驗證明了具有相反次序的雙層器件具有高度類似的光伏性能。此外，具有相反堆疊次序的雙層器件的內量子效率（IQEs）是各單層器件IQEs內量子效率之和。在光激發下，SubNc和SubPc這種雙極半導體能夠產生自由載流子。這種特性使其可以相反次序堆疊或與P/N結結合來產生光生載流子。這項研究為高性能太陽能電池的研究提供了新的思路。

文獻鏈接：Direct Free Carrier Photogeneration in Single Layer and Stacked Organic Photovoltaic Devices（Adv. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.201606909）

本文由材料人電子電工學術組大城小愛供稿，材料牛整理編輯。

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