混合物形貌对太阳能电池性能的影响

大面积的供体/受体界面(donor/acceptor interface)对于获得高性能的块体异质结(bulk heterojunction)太阳能电池是非常重要的。

为了给电荷从光敏区域向电极转移提供一个低阻的通道,供体和受体材料的相分离所发生的尺度最好同激子(exciton)扩散距离接近。之前曾有报道过方酸(squaraine)同富勒烯的混合物经过高温退火之后,会生成具有多褶皱(folded)的结构从而产生大面积的界面,使之成为很有前景的太阳能电池材料。

在最近的一篇报道中,Stephen Forrest教授及同事们展示了通过将squaraine:PC70BM混合物在二氯甲烷(dichloromethane)的气氛中进行后续退火处理(post-annealing),可以控制其在纳米尺度的相分离。在他们的试验中,沉积得到的薄膜呈非晶的结构;随着退火时间的延长,薄膜逐渐转化为晶体。通过选择合适的退火温度,就可以获得与激子扩散距离尺度相近的晶粒度,从而增强对光的吸收作用并提高电池的外部量子效率(external quantum efficiency)。

在得到与激子扩散距离接近的晶粒尺寸之后,表征从供体激子到受体分子之间电子迁移的荧光猝灭(photoluminescence quenching)过程也得到了优化。如果退火的时间过长,会导致晶体尺寸过大超过电子的激子扩散距离,从而电子无法顺利地到达界面,使得电池的效率降低。文章中未经退火处理的太阳能电池的能量转换效率仅有3%,而经过形貌优化之后其能量转换效率可以达到5%。

G. Wei, et al., Adv. Energy Mater., 2011; DOI: 10.1002/aenm.201100045