高效厚膜非富勒烯有机太阳电池的实现——克服空间电荷效应

基于有机半导体材料的薄膜太阳电池(简称“有机太阳电池”)具有质量轻、可挠曲、无毒性、颜色与透明度可调,可大面积印刷制备及在全方位入射角且弱光环境下仍保持高效率等特性,在一些新兴的光伏应用上较主流的硅晶太阳电池更具弹性。在过去几年,得益于非富勒烯受体的快速发展,有机太阳电池的研究获得了重大的突破。相比于富勒烯受体,非富勒烯受体在能级和吸收光谱上具有更大的可调性,能与更多不同的给体搭配,从而更有机会获得高性能的电池器件。过去几年里,通过新型给受体材料的设计和器件工程优化,基于非富勒烯受体的有机太阳电池的功率转化效率(简称“效率”)从6%提高至14%。然而,大多数基于非富勒烯受体的有机太阳电池研究都是为了提高器件效率,较少研究关注日后产业化时需要解决的问题,例如器件工作稳定性和为了实现高速印刷大面积生产所需的高效厚膜器件技术等。众所周知,大多非富勒烯受体的电子迁移率在10−4–10−5 cm2V−1s−1,小于富勒烯受体的10−3 cm2V−1s−1,这使得电池器件的最优活性层厚度限制在100 nm左右。虽然有少数几篇文献报道了基于电子迁移率提高的受体的高效厚膜非富勒烯有机太阳电池,但是目前还是缺少更深入的研究和策略去实现高效厚膜的非富勒烯有机太阳电池。

近期,华南理工大学的叶轩立教授研究团队针对这一难题提出并证实了一种简单有效的策略,克服了空间电荷效应,实现了高效厚膜的非富勒烯有机太阳电池。研究发现,基于PffBT4T-2OD:EH-IDTBR非富勒烯体系(高空穴迁移率、低电子迁移率)的有机太阳电池在使用正装器件结构时,随着活性层厚度的增加,其表现出的空间电荷效应越严重,从而导致其厚膜器件效率下降较快。另一方面,通过光学模型模拟得到:无论是正装、倒装器件结构,厚膜器件中光子的吸收主要集中在透明电极ITO入射光一侧。因此,相比于空穴载流子(收集电极为阳极),对于迁移率较低的电子载流子需要传输更长的距离到达收集电极(阴极),这进一步加重了正装厚膜器件的空间电荷效应。然而厚膜器件在使用倒装结构时,电子传输到阴极的电极可以被大幅缩短,增加电子的收集,从而实现高效的厚膜器件。这些发现将为以后发展更多更高效的厚膜的有机太阳电池提供一些指导思想,有利加速卷对卷印刷生产有机太阳电池的进程。

相关文章在线发表在Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.201801609)上。