蘇州大學ACS Nano：萘酰亞胺基N型聚合物用于高性能有機異質結太陽能電池的有效背接觸

【引言】

硅有機異質結雜化太陽能電池結合了高性能晶體硅和低成本有機材料，有望替代傳統的硅太陽能電池。PEDOT:PSS/n-Si是典型的硅有機雜化電池，研究者們通過硅表面結構處理、溶劑處理以及界面修飾等方法成功將硅有機雜化太陽電池的效率至16%，但是這與傳統的硅基太陽能電池的效率(26%)仍然具有很大的差距。因此，需要更加深入地研究硅有機太陽能電池來提高其性能。

目前，研究者們通過將鋁電極直接沉積在硅背極用于收集電子，由于硅鋁之間存在肖特基勢壘和表面載流子的復合，從而導致電池效率低下。鋁和硅之間形成歐姆接觸可以有效的提升電子傳輸特性，傳統的方法是通過對硅背極進行重摻雜來使得硅鋁之間形成歐姆接觸。然而，這個過程涉及到800℃高溫和有毒氣體。因此用低溫摻雜方法來替代高溫摻雜是必然趨勢，比如將有機電極、碳酸銫、氧化鈦層等置于硅和鋁之間。這些低溫無毒的摻雜方法能夠有效地改善硅鋁之間結的質量。但這些修飾層的作用機制尚不明了。近期，N型共軛聚合物被證明是非富勒烯太陽能電池中的重要材料，與半導體金屬氧化物材料相比，共軛有機材料展現出了優秀的成膜特性，且通過改變分子結構可以調控共軛聚合物的電學特性。然而，非富勒烯N型共軛有機材料還未被應用于硅有機雜化電池的夾層之中。

【成果簡介】

近日，蘇州大學孫寶全課題組在ACS Nano上發表了一篇題為“Naphthalene Diimide-Based n?Type Polymers:Efficient Rear Interlayers for High-Performance Silicon?Organic Heterojunction Solar Cells ”的文章。該研究首次將非富勒烯共軛聚合物材料F-N2200應用于硅有機雜化電池的背極，達到改善硅和鋁之間的接觸問題，成功將電池效率從原來的12.6%提升到14.5%。通過結合密度泛函理論模擬，證實了在提升硅和有機材料間的接觸質量中聚合物取向起到了重要作用。

【圖文簡介】

圖1：器件結構、J-V曲線和EQE曲線

(a).硅/有機太陽能電池的結構圖；

(b).器件在AM1.5G，100Mw cm^-2條件下的J-V曲線；

(c).器件在無光照下的J-V曲線；

(d).有聚合物夾層和沒有聚合物夾層器件的EQE曲線對比。

圖2：兩種聚合物的分子結構

(a).N2200和F-N2200聚合物的合成路徑，和分子結構；

(b).N2200聚合物生長在硅上的2D-GIWAXS圖像；

(c).F-N2200聚合物生長在硅上的2D-GIWAXS圖像；

(d).生長在硅結構上N2200的分子間平面堆積的原理圖；

(e).生長在硅結構上F-N2200的分子間平面堆積的原理圖。

圖3：兩種聚合物的密度泛函模擬圖

(a).生長在硅上的N2200的三維密度泛函模擬圖；

(b).生長在硅上的F-N2200的三維密度泛函模擬圖。

圖4：不同鋁電極面積（不同鋁電極直徑分別為1,0.8,0.5,0.3,0.2,0.1cm）的器件結構圖和I-V曲線

(a).沒有有機夾層情況下，器件的結構圖和不同鋁電極面積下的I-V曲線；

(b).硅鋁之間有N2200夾層，器件的結構圖和不同鋁電極面積下的I-V曲線；

(c). 硅鋁之間有F-N2200夾層，器件的結構圖和不同鋁電極面積下的I-V曲線。

圖5：Si、Si/N2200、Si/F-N2200的少數載流子壽命和SKPM

(a). Si、Si/N2200、Si/F-N2200的少數載流子壽命的映射圖，映射面積為1cm×1cm，注射水平約為2×1017cm-3；

(b).Si/F-N2200的表面電位差SKMP映射圖。

【小結】

作者利用共軛聚合物F-N2200改善了硅-鋁電極的接觸問題，成功地提高硅-有機雜化太陽能電池效率，并且用密度泛函理論證實了聚合物取向在提升硅與有機物接觸質量上起重要作用。

文獻鏈接：Naphthalene Diimide-Based n?Type Polymers:Efficient Rear Interlayers for High-Performance Silicon?Organic Heterojunction Solar Cells （ACS Nano,2017,DOI: 10.1021/acsnano.7b03090）

本文由材料人新人編輯部劉于金編譯，趙飛龍審核，點我加入材料人編輯部。

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