Adv. Energy. Mater：Shockley型聚合物-富勒烯太阳能电池

【背景介绍】

基于给体-受体本体异质结（BHJ）光活性层的有机太阳电池是有机光伏器件的主要研究方向。有机太阳电池的能量转换效率已经超过了10％，最新报道的效率甚至大于13％。然而，由于有机半导体的载流子迁移率通常较低，因此基于给体/受体光活性层体系的太阳电池中的电荷提取速率也较慢，这使得有机太阳电池的光活性层厚度通常被限制在100纳米范围内以实现载流子的高效抽取。但这阻碍了有机太阳电池通过大面积印刷加工而实现工业化。

【成果简介】

近日，华南理工大学黄飞教授、昆士兰大学Ardalan Armin博士、波茨坦大学Safa Shoaee博士（共同通讯）等人研究了高效聚合物（NT812）：富勒烯（PC71BM）共混物的电荷输运和重组性能。研究发现，即使当光活性层厚度达到800纳米，该体系也能提供大于 9％的能量转换效率。实验结果表明，该材料体系表现出非常低的双分子复合常数，比扩散控制的电子和空穴相遇率小800倍。基于最近引入的Shockley填充因子模型的理论结果与实验相比较，证明了这类太阳电池即使在光活性层厚度达到数百纳米时，电荷收集也几乎是理想的。。在活性层厚度大于200纳米情况下，表现出肖克利行为（电子在不同电压下的收集情况不受双分子复合影响），这一现象在有机太阳电池中极为罕见。相关成果以题为“A Shockley-Type Polymer: Fullerene Solar Cell”发表在了Advanced Energy Materials上。

【图文导读】

图1 化学结构及J-V图

a）本研究中使用的供体（NT812）和受体（PC71BM）的化学结构

b）典型的NT812：PC71BM太阳能电池的电流密度 - 电压（J-V）图

图2 注入电流分析

a）使用漂移扩散模拟太阳能电池的模型注入电流

b）在不同的电压下，厚度为800nm的NT812：PC71BM（1：1.5）太阳能电池的实验双注入电流

c）电流瞬变的导数

d）活性层厚度为300和800nm的NT812：PC71BM太阳能电池的电阻相关光电压（RPV）瞬变

e）箱子的不确定性范围内较快和较慢载流子的迁移时间

f）更快和更慢的载流子迁移率作为电场的函数

图3 NT812的双注入电流：PC71BM太阳能电池

a）稳态注入电流作为电压的函数

b）正向偏置电压为1.5V的瞬态暗注入电流归一化

图4 NT812:PC71BM太阳能电池的实验FF和改进Shockley模型的预测比较

a）实验FF与品质因数α和计算值

b）1:1.5,1:3和3:1的FF作为品质因数α的函数

c）相同器件的FF作为活性层厚度的函数

【小结】

该研究组发现NT812聚合物与PC71BM的共混物表现出明显减少的双分子复合行为; 比扩散控制的电子和空穴相遇率小800倍。该材料体系是一种可用于大面积印刷加工有机太阳电池的理想材料，因为它可以在数百纳米的厚度范围内实现高光-电转换效率。此外，造成复合强度下降的确切原因是有机光电学领域正在进行的重要研究课题，NT812:PC71BM系统可以作为一个理想的模型系统发挥重要作用。

文献链接：A Shockley-Type Polymer: Fullerene Solar Cell（Adv.Energy.Mater,2017,DOI:10.1002/aenm.201701450）

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