基于有机共晶的光伏器件-分子尺度 PN 结

有机太阳能电池的能量转换效率与给受体的接触模式息息相关,因为它对光电流的产生,包括激子的扩散和分离起着决定性的作用。在传统的双层异质结太阳能器件中,能量转换效率主要受两个方面的限制:一是短的激子扩散距离 (10-20nm),导致离PN界面较远的活性层中产生的激子不能有效的扩散到PN界面,这限制了活性层的厚度,不利于太阳光的充分吸收;二是给受体接触的比表面积小,导致激子分离的效率不高。体异质结(BHJ)太阳能电池有效地解决了上述两个问题,充分的给受体相分离可使激子在其有效扩散距离内到达给受体界面,且这种共混模式大大提高了 PN 结的比表面积,激子分离的效率大大提高,可达99%以上。然而,体异质结结构也还有其不足之处:制备纳米尺度的给受体互穿网络结构需要经过长期复杂的条件摸索,而且体异质结结构中,给(受)体的聚集态是非晶态或多晶态,这不利于实现最大化的迁移率,会增大空穴电子的复合概率。单晶异质结实现了给(受)体的聚集态的有序化,然而牺牲掉了给受体接触的比表面积,仍然不是最理想的给受体接触模式。

AEMhuwenping

近期,中国科学院化学研究所有机固体实验室胡文平及其合作者发明了一种新型的给受体接触模式-分子尺度PN结。研究者们通过分子自组装,制备了给受体分立排列且双连续的C60-DPTTA和C70-DPTTA有机共晶,并且在C60-DPTTA和C70-DPTTA共晶光伏器件中,成功观测到了光电流的产生。基于C60-DPTTA共晶的光伏器件,其能量转化效率可达0.27%,是C70-DPTTA共晶的540倍。基于两种共晶结构的理论计算结果表明,C60-DPTTA的晶体堆积更为紧密,有利于高效快速的电荷转移, 同时电荷复合的趋势比较小,因此表现出更为优异的光伏性能。通过与传统的双层异质结器件(同样的活性层材料)的对比发现,这种分子尺度PN结的给受体接触模式更为优异,性能为双层异质结器件的142倍。该工作是首次报道的基于分子尺度PN结的光伏器件。

该研究为构筑新一代有机光伏器件打开了一扇崭新的大门,通过分子自组装形成的分子尺度 PN 结,有望成为新一代的给受体接触模式。这类特殊的堆积结构,也为我们理解激子的分离和电荷的复合提供了一种试验模型。相关文章发表在Advanced Electronic Materials(DOI: 10.1002/aelm.201500423)上。