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克服空间电荷效应实现高效厚膜的非富勒烯有机太阳电池

时间:2018-12-03 16:26      发布人:廖燕菲      阅读:40

在过去几年,得益于非富勒烯受体(NFAs)的快速发展,有机太阳电池(OSCs)的研究获得了重大的突破。相比于富勒烯受体,非富勒烯受体在能级和吸收光谱上具有更大的可调性,能与更多不同的给体搭配,从而更有机会获得高性能的电池器件。通过新型给受体材料的设计和器件工程优化,基于非富勒烯受体的有机太阳电池的功率转化效率(简称“效率”)从6%提高至14%(单节电池器件)(Adv. Mater. 2018, 30, 1800868;Adv. Mater. 2018, 30, 1707508)。这些新型的非富勒烯受体是基于稠环的小分子或聚合物,包括苝酰亚胺、萘酰亚胺和引达省并二噻吩(IDT)。其中具有IDT的小分子受体是目前研究最广泛也是最有可能获得高性能电池器件的。然而,大多数基于非富勒烯受体的OSCs研究都是为了提高器件效率,较少研究关注日后产业化时需要解决的问题,例如器件工作稳定性和为了实现高速印刷大面积生产所需的高效厚膜器件技术。众所周知,IDT类的小分子受体的电子迁移率在10−4–10−5 cm2V−1s−1,小于富勒烯受体的10−3 cm2V−1s−1。这就使得电池器件的最优活性层厚度限制在100 nm左右。虽然有少数几篇文献报道了基于电子迁移率提高的受体的高效厚膜非富勒烯OSCs,但是目前还是缺少更深入的研究和策略去实现高效厚膜的非富勒烯OSCs。

针对非富勒烯太阳电池不能做厚的问题,最近,华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室叶轩立教授课题组深入研究了其内在原因。首先,通过深入地研究基于PffBT4T-2OD:EH-IDTBR体系厚膜器件的性能,发现对于空穴迁移率远大于电子迁移率的活性层体系,其正装厚膜器件工作时会出现严重的空间电荷效应。另外,通过光学模型模拟得到:无论是正装、倒装器件结构,厚膜器件中光子的吸收主要集中在透明电极ITO入射光一侧。这就进一步加重了正装厚膜器件的空间电荷效应,然而厚膜器件在使用倒装结构时,电子传输到阴极的电极可以被大幅缩短,增加电子的收集。实验结果表明改变器件结构这一简单的方法可以有效地克服空间电荷效应,从而实现高效的厚膜器件,其在100-300nm的效率都大于9%。这些发现将为以后发展更多更高效的厚膜有机/聚合物太阳电池提供了指导思想,有利加速大面积印刷生产有机/聚合物太阳电池的进程。

相关成果以《Overcoming Space-Charge Effect for Efficient Thick-FilmNon-Fullerene Organic Solar Cells》为题,发表在Advanced Energy MaterialsAdv. Energy Mater. 2018, 1801609.DOI:10.1002/aenm.201801609),其中第一作者为博士后张桂传,通讯作者为叶轩立教授。

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