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2022 Joule:高效有机太阳能电池!增加分子堆积密度和介电常数

标题 具有增加的介电常数和分子堆积密度的高填充因子有机太阳能电池

第一作者:張旭寧/张渊教授课题组

本文亮点

  • 通过增加分子堆积密度和介电常数来提高填充因子
  • 实现了填充因子超过 80%,效率超过 18.2% OSC
  • 获得对膜厚不敏感的高效有机太阳能电池

研究动机

  得益于非富勒烯受体材料(NFA)的分子设计和电池器件结构的优化,有机太阳能电池的短路电流 (JSC) 和开路电压 (VOC) 得到了提升。新型 NFA 材料具有较强的电子耦合、长程有序的分子堆积、高构象刚性和极低的尾态密度等特性,因此可同时获得有效的载流子电荷和较低的能量损失。

  在限制 PCE 的诸多原因中,相对较低的 FF 是一个关键因素。光伏器件的FF反映光电流随施加偏压的变化趋势,以及电荷提取和复合随偏压变化的竞争关系。目前普遍认为,FF 受 BHJ薄膜的形貌和载流子迁移率的影响;当然界面特性,例如电荷提取势垒同样会对 FF 产生负面影响。尽管通过对光吸收层和界面特性的改善在一定程度上可以提高器件的 FF,但目前效率較高的OSC其FF与无机或钙钛矿太阳能电池相比也略微逊色,通常很难超过80%。在已报道的高性能NFA-OSC中,器件的光电流在接近短路电流条件下通常呈现缓慢的变化,这意味着在足够大的内部电场下 (E),载流子复合造成的 FF 降低可以忽略不计。由此可看出,在内部E较低时电荷复合与电荷提取的竞争过程是决定 FF 的关键。到目前为主,NFA材料的本质特性(包括分子堆积和介电常数等)如何影响器件的FF以及相关物理过程尚不完全清楚,这对于发展高效率NFA材料,减小FF实验值与Shockley-Queisser 理论预测上限的差距十分不利。

  针对这些问题,在本工作中作者揭示了分子堆积密度 (MPD) 和介电特性对器件FF的影响机制。研究表明,提高NFA的分子堆积密度可有效提升NFA的介电常数,在BHJ中可有效降低非孪生复合引起的FF损失,从而获得超过80%的器件FF。

本文所用仪器

  • QER3011, Enli Technology Co. Ltd

研究成果说明

介电性能和分子堆积密度
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厚膜OSC中的光伏性能和电荷提取

通讯作者简介

张渊,北京航空航天大学化学学院教授、博士生导师,中组部第十一批(2014年)“青年千人计划”入选者。复旦大学物理系本科和硕士学位,2010年获荷兰格罗宁根大学物理学博士学位(导师Paul W. M. Blom教授),2011-2015年在美国加州大学圣芭芭拉分校做博士后研究(合作导师为2000年诺贝尔化学奖得主Alan J. Heeger教授)。张渊博士长期从事有机半导体器件物理和光电转换材料研究,包括光伏、场效应晶体管、光探测和电致发光(OLED)等器件,侧重于电荷的传输、注入和复合、半导体/金属、有机/无机界面特性及形貌等机理方面的研究,取得了在国际上具有一定影响力的研究成果。先后在国际一流学术期刊上发表篇论文100余篇(其中通讯作者论文60余篇),成果被Nature Materials、Physical Review Letters 等著名杂志专题报道。申请美国专利一项,并多次受邀为Nature Commun.,Adv. Mater.,Energy Environ. Sci.,Adv. Energy Mater.,Adv. Funct. Mater.,等学术期刊审稿。

孙艳明,北京航空航天大学化学学院教授、博士生导师,2013年入选中组部青年千人计划,2018年度获批国家杰出青年科学基金。2019年入选科睿唯安2019年全球高被引学者榜单。2017 年和 2018 年分别受邀作为客座编辑在传统高分子杂志 Macromol. Rapid Comm.和国内新能源杂志 Journal of Energy Chemistry 上组织“未来青年科学家”和“高性能有机太阳能电池”专刊。此外还受邀担任 Macromol. Chem. Phy.杂志的国际顾问编委。孙艳明主要从事有机光伏材料和器件方面的研究,在聚合物给体材料、非富勒烯受体材料、聚集态结构与光伏器件性能关系方面,取得了一系列创新性研究成果,提出了利用聚合物纤维网络调控太阳能电池活性层相分离的新策略:在 Nature Mater.,Nature Energy,Nature Commun.,J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater., Energy Environ. Sci.,Nano Letters 等学术期刊上上发表研究论文120余篇,他引 1万余次,其中 22篇论文入选ESI 高被引论文,3篇论文入选中国百篇具影响国际学术论文,在 Adv. Mater.,Angew. Chem. Int. Ed.等杂志上撰写邀请综述4篇。

本文关键词:有机太阳能电池、organic solar cell、介电常数、dielectric constant、填充因子、fill factor、量子效率、Quantum Efficiency

原文:https://doi.org/10.1016/j.joule.2022.01.006

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