華南理工大學(xué)黃飛/張凱等AFM：在疊層有機(jī)太陽電池方面取得新進(jìn)展
由于具有質(zhì)輕、柔性、低成本以及適用于卷對卷大面積印刷加工等一系列優(yōu)勢，有機(jī)太陽電池在便攜式供電設(shè)備方面具備很大的應(yīng)用潛力。但相對于其他基于無機(jī)材料的太陽電池，有機(jī)太陽電池的能量轉(zhuǎn)換效率還較低，其重要限制因素之一是存在較大的能量損失。為了降低其能量損失，大量研究集中在新材料的設(shè)計開發(fā)以及相應(yīng)物理機(jī)制的探索上。而另一方面，構(gòu)建串聯(lián)疊層器件是減少能量損失從而提高光電轉(zhuǎn)化效率的一種有效策略。串聯(lián)結(jié)構(gòu)可以同時減少器件的熱能化損失和透射損失：高能光子可以通過前層電池中寬帶隙材料的吸收而降低熱能化損失，低能光子可以被后層電池中的窄帶隙材料吸收而降低透射損耗，從而高能光子和低能光子在疊層電池中都可以得到有效利用。
為了在疊層器件中獲得高的光電轉(zhuǎn)化效率，最重要的考量因素之一是選擇具有互補(bǔ)吸收的前層子電池和后層子電池，最大程度減少光譜重疊并擴(kuò)展太陽光譜吸收，從而獲得高光電流。而對于給定的前層子電池和后層子電池組合，絕大多數(shù)研究工作采取的策略是在單結(jié)器件最佳給受體比例的基礎(chǔ)上調(diào)節(jié)前后層子電池的厚度，從而達(dá)到電流平衡以獲得最優(yōu)的疊層器件。但是通常來說，疊層器件中前層子電池或后層子電池的最佳厚度往往與單結(jié)器件中的最佳厚度差異較大。在大多數(shù)情況下，為了確保足夠的光子吸收從而與另一子電池達(dá)到電流平衡，疊層器件中子電池的最優(yōu)厚度相對于單結(jié)器件的最優(yōu)厚度往往會大大增加。然而，由于有機(jī)半導(dǎo)體本身較低的載流子遷移率，當(dāng)增加子電池的厚度時，通常會導(dǎo)致其內(nèi)部電荷復(fù)合加劇，從而影響整個疊層器件性能。
近日，華南理工大學(xué)黃飛教授團(tuán)隊提出通過增加前層子電池中具有更高吸收系數(shù)的非富勒烯受體的比例，可以在相對較低活性層厚度情況下達(dá)到和后層子電池之間光電流的平衡。光學(xué)模擬以及器件數(shù)據(jù)結(jié)果表明，通過增加前層子電池中非富勒烯受體的比例，更多的高能光子可以被前層子電池吸收，從而產(chǎn)生與后層子電池匹配的光電流，因此降低了最優(yōu)疊層器件中前層子電池的厚度。這種策略可以微妙操縱串聯(lián)器件中的光場分布從而有效抑制由于活性層厚度增加而引起的前層子電池的電荷復(fù)合加劇，從而在疊層器件中同時實現(xiàn)了高的短路電流和填充因子，最終獲得了填充因子高達(dá)78%，效率達(dá)到18.71％的最佳光電轉(zhuǎn)化效率。這也是迄今為止文獻(xiàn)報導(dǎo)效率最高的疊層器件。這項明了通過抑制子電池中的電荷復(fù)合來提高疊層器件整體性能的有效性，同時也表明調(diào)節(jié)疊層器件中子電池的給受體比例是同時獲得高短路電流和填充因子的有效策略。
圖1 (a) 前后層活性層材料化學(xué)結(jié)構(gòu)式; (b) 活性層薄膜吸收光譜; 前后層最優(yōu)單節(jié)器件J-V曲線(c)以及EQE曲線(d)
圖2 (a) 前層子電池給受體材料的吸收系數(shù); (b) 不同給受體比例前層電池和后層電池的消光系數(shù); (c) 不同厚度前層電池的電流-光強(qiáng)依賴曲線(D/A=1:1); 光學(xué)模擬結(jié)果, (d), (e)以及(f)分別代表前層電池給受體比例為1:1, 1:1.2以及1:1.4
圖3 具有不同前層子電池厚度疊層器件的J-V曲線, (a), (b)以及(c)分別代表前層電池給受體比例為1:1, 1:1.2以及1:1.4；具有不同前層子電池厚度的疊層器件EQE曲線, (d), (e)以及(f)分別代表前層電池給受體比例為1:1, 1:1.2以及1:1.4
以上成果發(fā)表在Adv.Funct.Mater.(2021,2103283)。論文的第一作者為華南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院博士生劉功礎(chǔ)，通訊作者為張凱副研究員和黃飛教授。
論文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adfm.202103283
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