绝缘聚合物稀释实现填充因子超过67的1微米厚室内有机光伏电池

　　喜欢就 关注我们吧，订阅更多最新消息
　　本公号文献全部由作者自解读，欢迎投稿！
　　背景介绍
　　当今，随着物联网的飞速发展，室内光伏电池作为离网能源的研究逐步成为人们关注的焦点。其中，有机材料的吸收光谱能够很好地匹配室内光源的辐射光谱，因此，有机光伏电池是制备高效室内光伏器件的重要候选。在低光强的室内光源下，有机光伏器件表现出较低的短路电流密度。一般来说，增加活性层厚度能够最大化对光子的获取，从而产生更高的短路电流和光电转换效率。然而，在低载流子密度的情况下，缺陷态会逐渐主导电荷的复合，从而限制室内光伏器件中的光电流产生和光电转换效率的提高。
　　内容简介
　　近日，山东大学郝晓涛教授/殷航教授及团队成员与河南师范大学合作发现利用5%的绝缘聚合物聚苯乙烯（PS）稀释基于PBDB-T:N2200全聚合物光伏体系的活性层能够实现兼备高填充因子（67%）和低光电流损失的1微米厚室内有机光伏电池，并探究了PS稀释策略在超厚有机光伏器件中独特的作用（如图机制1）。该工作利用阻抗谱测试，拟合计算出了稀释前后光伏器件中缺陷态密度的变化。通过瞬态光谱技术探索了PS稀释后的激发态动力学和电荷传输过程。最后，关联了潜在的物理机制和相应的器件参数，系统地揭示了稀释策略对缺陷态变化、光物理机制和超厚器件性能的影响，为实现高效率大厚度室内光伏器件提供了有效可行的途径。
　　机制图1 5% PS稀释的一微米厚室内有机光伏器件的光伏性能和缺陷态密度计算
　　图文导读
　　1.不同厚度下的有机光伏器件性能
　　在AM 1.5光强下，虽然5% PS的稀释提高了不同厚度下器件的填充因子，但光伏效率随厚度增加而降低的趋势并未得到有效的改善。对于发光二极管（LED）光源（1200，1000，500 lux），当活性层厚度大于600 nm时，未稀释的二元光伏器件的短路电流和效率开始降低，这主要由于超厚器件中的光电流损失。PS稀释策略有效提高了超厚器件中的短路电流，光伏效率也因此随着厚度的增加而增加（图1）。其中，1微米厚的稀释器件在1200 lux的LED光源照射下得到了67.01%的填充因子和的17.06%的光伏效率。
　　图1 5% PS稀释前后的有机光伏器件在（a）AM 1.5光强下填充因子和光电转换效率与活性层厚度之间的关系，在（b）1200 lux、（c）1000 lux和（d）500 lux LED光源下的  J-V  曲线和（e）短路电流与厚度之间的关系，以及（f）在一微米活性层厚度下的外量子效率曲线。
　　2.缺陷态密度计算及激子动力学研究
　　结合阻抗谱的测试和定量的拟合计算，我们发现PS稀释策略降低了光伏体系内的缺陷态密度。不仅如此，通过对激子动力学及器件内解离率进行表征，发现PS稀释的光伏体系拥有更长的激子寿命（138.33 ps），相应的1微米厚器件也展现出更高的解离率（79.71%）。该结果表明PS稀释策略能够有效稀释光伏器件中的缺陷态密度，确保体异质结内产生更多的光生载流子。
　　图2 5% PS稀释前后有机光伏器件的（a）阻抗谱测试和（b）时间分辨荧光光谱测试，其中Nt和t分别表示缺陷态密度和荧光寿命。（c）稀释策略对激子扩散影响的机制图。（d）5% PS稀释前后超厚有机光伏器件的解离率测试，其中P(E,T)表示解离率。
　　3. 稀释有机光伏体系中电荷转移的影响
　　利用超快瞬态吸收光谱技术，发现PS的稀释加快了全聚合物体系中畴内分子间极化子对的拆分，畴内分子间的极化子对主导着全聚合物体系内的空穴转移过程。因此，稀释后的光伏体系展现0.63 ps的超快空穴转移过程（如图3），这要快于未稀释的二元光伏体系（1.03 ps）。
　　图3 （a）未稀释的二元光伏体系和（b）5% PS稀释后的光伏体系的二维瞬态吸收光谱测试。（c）未稀释的二元光伏体系和（d）5% PS稀释后的光伏体系在不同延迟时间下的瞬态吸收光谱。在（e）500 nm和（f）640 nm处探测的未稀释和稀释的光伏体系的动力学曲线。
　　4. 稀释策略对电荷传输、复合的影响
　　通过一系列测试，发现稀释策略不仅提高了超厚器件中的电荷迁移率，同时抑制了缺陷态主导的电荷复合，说明5% PS的稀释不仅提高了自由载流子在1微米厚活性层中的传输，同时抑制了缺陷态主导的电荷复合，这使得载流子能够在超厚的活性层中传输更长的距离。该现象主要源于被稀释体系中缺陷态密度的降低。在5% PS稀释的光伏体系中，电荷转移、传输的加快以及缺陷态复合的降低提高了1微米活性层内光电流的产生，该现象可以从电容-频率谱中直观看出。
　　图4 （a）5% PS稀释前后有机光伏器件的空穴和电子迁移率测试。（b）不同光强下，5% PS稀释前后有机光伏器件开路电压的变化，其中参数n表示理想因子。（c）稀释策略对电荷传输影响的机制图。（d）未稀释和（e）5% PS稀释的不同厚度的有机光伏器件在光照和暗态下的电容-频率谱测试。（f）未稀释、5% PS稀释和10 % PS稀释的N2200聚合物受体材料的掠入射广角X射线散射测试，其中参数Lc表示相干长度。
　　结 论
　　文章采用5% PS稀释策略在1微米厚室内有机光伏器件中实现了超过67%的填充因子和较低的光电流损失，并对稀释器件中的缺陷态、超快光物理过程和电荷传输进行了系统的研究。研究发现，5% PS稀释的光伏器件展现出比未稀释的二元器件更低的缺陷态密度。缺陷态密度的降低抑制了光生激子的淬灭，同时提高了激子的寿命，这意味着更长的激子扩散距离。另外，稀释策略加快了畴内分子间极化子对的解离以及空穴转移过程，带来了更多的光生载流子。不仅如此，稀释策略改善了1微米厚有机光伏器件中的电荷传输，抑制了缺陷态主导的电荷复合，使得更多的电荷可以在超厚的1微米活性层内传输更长的距离，表现出更高的光电流。该研究证明了稀释策略能够有效地抑制体异质结内的缺陷态，同时为超厚高效室内光伏电池的制备提供了新颖的角度。
　　欢迎关注我们，订阅更多最新消息
　　邃瞳科学云   邃瞳科学云是一个百家争鸣的个性化学术传播平台。依托新媒体矩阵，小程序及APP等完整产品线，在开展专业性的学术活动的同时，还致力于科普教育和科学传播，更自由、重分享。 格物致知，光被遐荒。Meet Your Science!