Small Methods 电荷累积光谱:研究有机光伏电池稳定性的新途径

smallmethods如何抑制有机光伏器件(OPV)性能的衰退是亟待解决的关键科学问题。理解和优化有机光伏器件的性能以及提高其稳定性都面临极大的挑战。到目前为止,已有多种技术用于揭示OPV在不同阶段的工作机制,它们主要集中在从(1)最初激子的产生到(2)这些光生激子分裂形成界面电子-空穴对,(3)进一步这些界面电子-空穴对的分离,(4)最终通过电极收集分离的电荷这几个阶段来理解器件性能衰退机理。大量的相关研究推动了有机太阳能电池稳定性的显著提高,从最初只能在大气条件下稳定工作几分钟,到目前可以较为稳定地工作上千小时。其中,采用金属氧化物半导体作为电子和空穴传输层的倒置型有机太阳能电池表现出最佳的器件寿命。然而,该类器件中金属氧化层对不同的外界条件如紫外光照的敏感性,对器件性能有着不可预知的影响。在理解金属氧化物/有机半导体层相互作用的基础上,早期的研究结果证实了通过界面修饰可以有效提高有机太阳能电池的性能及其稳定性。因此金属氧化物/有机半导体层的界面很可能会影响器件长期工作的稳定性,而这方面的研究目前还非常欠缺。

smtd201600007-gra-0001-m近日,剑桥大学卡文迪许实验室Henning Sirringhaus教授课题组采用新发展的电荷累积光谱(CAS)技术,研究了倒置型有机太阳能电池中的性能衰退机理。研究团队利用这种高分辨率的CAS技术在PTB7:PC70BM倒置有机太阳能电池中观察到了典型的极化子特征吸收谱。实验中,PTB7:PC70BM太阳能电池在真空中白光照射状态下工作80小时后,开路电压和填充因子分别降低了20%和10%,器件性能表现出了明显衰退。研究团队通过原位CAS技术揭示了有机太阳能电池工作不稳定的机理。实验结果表明,器件性能的衰退与金属氧化物和有机半导体层的界面电荷转移密切相关。具体而言,在上述电池工作条件下,高掺杂的ZnSrO层向有机半导体层发生电荷转移,导致0.2%的PC70BM分子变成阴离子,引起的缺陷辅助电子-空穴复合增强正是导致器件性能衰退的根源。

这项新技术为更好地理解器件性能衰退机制以及提高器件稳定性提供了新的思路,相关文章发表在Small Methods(DOI:10.1002/smtd.201600007)上

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