Adv. Mater.：单层中的光生直接自由载流子及堆叠状有机光伏器件

【引言】

现今报道的几乎所有的高性能有机光伏（OPV）器件都依赖于激子的分离和光生电荷的产生。为了增强器件的能量转换效率（PCE），一些报道在OPV结构中利用了具有级联能级的三层有机层，这种三层堆叠包含两个高效的P/N结。最近Heremans及其合作者报道了一种具有三分之一有机层的高效器件，该有机层与活性P/N结分离，但是基于长程激子能量转移机理，其仍能转移能量至P/N结，用以产生载流子。然而，这种机理对于器件工作的具体过程揭示的并不完全，还有待进一步的研究。

【成果简介】

近日，来自香港城市大学的李振声教授和Lo Ming-Fai博士（共同通讯）等人研究了单层中的光生直接自由载流子及堆叠状有机光伏器件，相关的研究成果以“Direct Free Carrier Photogeneration in Single Layer and Stacked Organic Photovoltaic Devices”为题发表在了Advanced Materials上。

实验中在Heremans及其合作者工作的基础上发现了另外一种高效率器件产生的机理。一些双极性物质，如亚萘酞菁氯（SubNc）和亚酞菁氯（SubPc）在光激发下比传统的有机半导体能更高效地产生自由载流子。将SubNc或SubPc夹在两电极间形成的三明治结构单层器件比已报道的单层器件功率转化率要高30倍。此外，具有相反堆叠次序的双层器件的内量子效率（IQEs）是各单层器件IQEs内量子效率之和。结果表明，SubNc或SubPc可以在没有P/N结时在光激发下直接产生自由载流子，这使其可以相反的次序进行堆叠或者简单地堆叠在其他P/N结上产生光生载流子。

【图文导读】

图1SubNc基和SubPc基太阳能器件的J-V特性曲线及外量子效率

（a，b）器件在一个太阳光照射下的J-V特性曲线

（c，d）SubNc基（左）和SubPc基（右）太阳能器件的外量子效率（EQE）谱

图2SubNc基和SubPc基太阳能器件的logJ-V特性曲线及外量子效率

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

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

图3利用椭圆偏振法得到的不同体系的n和k值

（a）利用椭圆偏振法得到的不同体系（SubPc, SubNc, CuPc and C₆₀）的n值

（b）利用椭圆偏振法得到的不同体系（SubPc, SubNc, CuPc and C₆₀）的k值

图4 集成在不同结构上的OPV电池（实线）的内外量子效率及吸收分布（点线）

（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（实心三角）器件

图5 具有ITO/SubNc/SubPc/BPhen/Al结构的最佳双层器件的logJ-V特性曲线及外量子效率

（a）光照下的log J-V特性曲线

（b）外量子效率（EQE）谱

【小结】

本文报道的单层SubNc基和SubPc基太阳能器件的性能远好于先前报道的单层器件。实验证明了具有相反次序的双层器件具有高度类似的光伏性能。此外，具有相反堆叠次序的双层器件的内量子效率（IQEs）是各单层器件IQEs内量子效率之和。在光激发下，SubNc和SubPc这种双极半导体能够产生自由载流子。这种特性使其可以相反次序堆叠或与P/N结结合来产生光生载流子。这项研究为高性能太阳能电池的研究提供了新的思路。

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

本文由材料人电子电工学术组大城小爱供稿，欧洲足球赛事 整理编辑。

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