Solar RRL: 非富勒烯电子受体在三元共混有机太阳能电池中的作用

作为清洁且高效的新能源技术,有机太阳能电池因其具有成本低,质量轻,可大面积制造等独特优势,而受到了越来越多的关注。其中,三元有机给体和非富勒烯电子受体共混策略能进一步扩宽有机光活性层的吸收范围,已经被证明是一种提高有机太阳能电池效率的有效方法。

目前,对有机太阳能电池的表征大多数是在稳态下进行,例如,电流密度-电压特征曲线以及外量子效率,虽然这些表征方法很有效,但是不足以完全理解非富勒烯电子受体在三元共混太阳能电池中的作用(载流子复合,载流子传输,载流子提取等载流子的瞬态过程)。为此,美国阿克伦大学高分子科学和工程学院巩雄教授和中国国家纳米科学中心丁黎明教授通过对三元有机太阳能电池的稳态和瞬态表征深入而细致的研究,阐述了非富勒烯电子受体在三元共混太阳能电池中的独特作用。

稳态表征研究表明,非富勒烯(COi8DFIC)的引入,不仅仅拓宽了PTB7-DT:PC71BM薄膜在800-1100 nm 范围内的光吸收,也极大的抑制了载流子的复合,减少了有机层和传输层界面之间载流子的传输阻力,同时增加了三元共混有机薄膜的电子迁移率。另一方面,有机太阳能电池的瞬态光电流(Transient photocurrent)表征(t=10-20ns)显示,非富勒烯O6T-4F的引入,使载流子的提取时间缩短了三倍。载流子的更快提取,进一步抑制了其在传输过程中复合的机会。并且,通过理论计算,相对比于二元共混有机薄膜(PTB7-DT:PC71BM),三元共混有机薄膜(PTB7-DT:PC71BM:O6T-4F)的最大载流子迁移率提高了五倍。因此,非富勒烯O6T-4F的引入使三元共混有机太阳能电池的效率提高了50%。    

研究者相信,此项研究将会为三元有机给体和非富勒烯电子受体共混太阳能电池提供新的物理理解。相关论文在线发表在 Solar RRL(doi: 10.1002/solr.201900322)上。此论文的第一作者为美国阿克伦大学高分子科学和工程学院朱涛博士生。