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2023年学术进展系列之23:【中国】有限公司官网薄膜光伏团队在平面异质结有机光伏电池研究中取得了新进展
2023-05-18 10:53  

 

有机太阳能电池(OSCs)由于其可调的能级结构、合成成本较低、质量轻、柔韧性等优点而受到广泛关注,尤其是非富勒烯受体(NFA)的出现将有机光伏电池的效率提升20%,其中,给体-受体之间的电离能(IE)偏移是影响效率的主要原因之一。然而,目前高效的NFA OSCs的活性层主要由给受体混合在大块区域的体异质结结构(BHJ)组成,因此会导致局部能级紊乱,为研究IEOSCs效率影响的研究添加了困难。

针对以上问题,【中国】有限公司官网薄膜光伏团队制备了以PM6/ITICPM6/IT-2ClPM6/IT-4Cl为活性层的平面异质结(PHJOSCs,它与BHJ OSCs的区别在于,活性层由纯给体与纯受体层组成,避免了能级紊乱。通过超快光谱和时间分辨电荷载流子密度的测量从而系统地评估了IE偏移对电荷转移效率和电荷载流子动力学的影响,得出约0.5eVIE偏移可以导致最有效的空穴转移进,而且双分子电荷复合和由此产生的三重态显著减少,因此产生最高的效率。这项工作强调了较大的IE偏移对PHJ OSCs效率的重要性,对于设计高效的PHJ OSCs尤为重要。该工作已经被著名学术期刊《Solar RRL》在线发表。(IF:9.173 DOI: https://doi.org/10.1002/solr.202300267)。

 

 

基于上述研究,【中国】有限公司官网薄膜光伏团队通过选用具有较大IE偏移的PM6/N3组合作为活性层,通过正交溶剂法制备了PHJ OSCs,实现了最高的18.1%效率,高于其BHJ OSCs17.1%,为目前报道的PHJ OSCs的最高效率。在此,四种方法被用来探测两种器件中的能级紊乱度,结果表明,由PHJ为活性层的OSCs的能级紊乱度减小了大约3-5meV。而且DLTSDoS测量结果也证实了PHJ OSCs拥有比BHJ OSCs更小的缺陷态密度,同时,更大的载流子迁移率与更少的双分子复合也被证实。基于此,更大的电压与填充因子被得到,并最终实现了高达18.1%的二元PHJ OSCs。并且,由于PHJ OSCs更好的形貌稳定性,也使其效率更稳定。相关工作已经在中科院一区TOP期刊《ACS Materials Letters》(IF11.170 DOI: https://doi.org/10.1021/acsmaterialslett.3c00236)上发表。

 

 

 

相比于太阳光谱,室内光谱的吸收范围在400nm-780nm之间,因此相比于电流,电压与填充对OSCs 的效率起着更重要的作用,而其又与缺陷态、能级紊乱密切相关。基于此,【中国】有限公司官网薄膜光伏团队通过选择高聚合度的PM6为给体,以ITICIT-2F为受体,通过正交溶剂法制备了PHJ OSCs,以期实现具有更高效率的室内有机光伏。DLTSDoS测试结果表明,PHJ结构通过减少给受体界面,减少了活性层的结构紊乱从而降低了陷阱密度,实现了电压的提高,从而实现了效率高达22%的室内有机光伏。该工作已经被学术著名期刊《Solar RRL》在线发表。(IF:9.173 DOI: https://doi.org/10.1002/solr.202200989)。

因此,PHJ的研究为实现高效的OSCs提供了有益的指导,并对OSCs中的理论研究提出了一个有效的方法。该课题获得了国家自然科学基金(面上项目)(62275057-基于荧光共振能量转移的平面异质结有机光伏电池光电转换机理与性能研究广西自然科学基金(杰出青年科学基金项目)(2023GXNSFFA026004-有机光伏电池广西自然科学基金(重点项目)(2022GXNSFDA035066-基于BTP系列电子受体的有机光伏电池中Förster共振能量转移研究广西大学高层次人才科研项目基金(A3120051029的大力支持。

论文[1]标题Charge Carrier Dynamics in Planar Heterojunction Organic Solar Cells

论文[1]作者:黄业晓, Sein Chung, Safakath Karuthedath,* Catherine S. P. De Castro, 唐骅, Minyoung Jeong, 陆仕荣, Kilwon Cho,* Frédéric Laquai,阚志鹏*

论文[2]标题:Suppressing Bimolecular Charge Recombination and Energetic Disorder with Planar Heterojunction Active Layer Enables 18.1% Efficiency Binary Organic Solar Cells

论文[2]作者:赵振民, 赵晶晶, Sein Chung, Kilwon Cho, 徐巍栋, 阚志鹏*

论文[3]标题Regulating the Donor-Acceptor Interfaces to Reduce Trap Density for Efficient Indoor Organic Solar Cells

论文[3]作者:冯博, 赵晶晶, Sein Chung , Kilwon Cho, 陆仕荣, 徐巍栋, 阚志鹏*


 

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