有效提升有机太阳电池电荷收集效率的界面修饰层

目前,最高效率的有机太阳电池都采用电子传输层/有机光活性层/空穴传输层的倒置型三明治夹层结构,其中,最常用的电子传输层是金属氧化物如氧化锌(ZnO)。但是,未修饰的氧化锌自身存在物理、化学缺陷不仅会影响与有机层的物理和化学接触特性,而且会捕获并复合电荷而降低器件整体性能。进一步提升器件光电转换效率,我们因此需要有效的界面控制手段来实现界面接触的两相材料间能带匹配和高效电荷传输。

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最近,电子科技大学光电信息学院电子薄膜与集成器件国家重点实验室的黄江副教授和于军胜教授与浙江大学李昌治教授等合作,在基于溶液法氧化锌电子传输层上引入一种改性的富勒烯(OPCBM)分子自组装层,作者成功实现对于使用PTB7-Th:PC71BM活性层的倒置型太阳电池器件高效光电转换效率11.3%,器件内量子效率(IQE)接近100%和填充因子~0.77,达到同类器件的最好水平。前期工作中,浙江大学李昌治课题组通过选择性功能化富勒烯【5,6】-单键实现富勒烯与修饰芳基间轨道杂化(通过富勒烯Sp2桥头碳键连修饰芳基),其区别于传统富勒烯衍生物和修饰基不共轭特性(富勒烯Sp3桥头碳键连修饰芳基),并揭示通过新型富勒烯分子修饰可显著改善有机活性层和氧化锌界面的电子耦合和界面特性(Advanced Materials, 28, 2016, 7269–7275)。本项研究中,作者们发现在采用紫外光照射处理后,富勒烯修饰层不仅钝化氧化锌缺陷态,而且同时起到优化界面上两相材料的能级排列和提升电子传输层导电率等作用。进一步通过理论计算探讨OPCBM/ZnO复合物的激发态电荷转移特性,发现其形成的激发态空穴-电子分布有利于促进器件界面上的电荷收集,改善金属氧化物与有机半导体活性层间界面接触。以上几方面因素协同作用最终有助于提升有机太阳电池器件内部量子效率和填充因子,从而实现高效光电转换。
这些结果初步揭示了新型界面材料提高有机太阳电池性能的机制,并为开发新型界面修饰材料和制备高效有机太阳电池提供了新思路。相关论文近期在线发表在Solar RRL(Solar RRL, DOI: 10.1002/solr.201600008)。

 

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