Energy Technology :有机太阳能电池中内建场对其稳定性影响的研究

太阳能是自然界中取之不尽用之不竭的洁净能源,如何有效利用和发展太阳能一直受到学术界的密切关注,同时也是当今社会亟待解决的重大科学研究和技术创新关键领域之一。有别于传统的无机光伏技术,有机太阳能电池使用可溶液加工的制备工艺,其轻便、可卷曲、半透明等特色在新型光伏产品设计中具有不可替代的优点,这些特点使得曲屏设计,便携式设备,室内光伏在装饰,美观和艺术性等方面的应用更具优势。近年来,随着材料合成和器件工艺的不断进步与发展,单结有机太阳能电池的光电转化效率已超过15%,这为有机太阳能电池的应用打下了坚实的基础。目前高性能新型有机给受体材料的开发使得有机太阳能电池在可见和红外光区域拥有更高的光吸收效率,从而进一步推进了有机太阳能电池的转换效率。除了提高有机太阳能电池的光电转化效率以外,如何提高其稳定性也是当下的研究热点。其中,器件的封装技术,活性层的形貌控制,缓冲层的界面修饰工程以及电极材料的选择都是提升器件稳定性的重要方面。

本工作从三个方面对提高有机太阳能电池的稳定性进行了深入的讨论,1)活性层中非平衡载流子迁移率的形成机制,2)给受体材料在体异质结中的体相分层所导致的空间电荷累积,3)体异质结中的内建场的形成以及其与太阳能电池稳定性的关系。文章采用线性增加电压提取光生载流子(PhotoCELIV)方法,分析了有机太阳能电池体系中电荷传输特性与稳定性的关系,揭示了体异质结中由氧诱导形成的缺陷态所引起的非平衡载流子的迁移是导致电池寿命退化的主要因素之一。根据掠入射广角X射线散射(GIWAXS)技术分别对正置和倒置结构有机太阳能电池的研究,结果表明有机太阳能电池中给体和受体在体异质结中产生的垂直体相分离是非平衡载流子的输运和形成空间电荷积累的主要原因之一,并影响其稳定性。进一步地,通过对多个有机太阳能电池体系中内建场强度对太阳能电池效率及稳定性的研究分析发现,通过载流子传输层的修饰和界面工程,可有效地钝化载流子传输层中的缺陷态,并抑制活性层与载流子传输层的界面反应,从而来提高和稳定器件中的内建场,为提升有机太阳能电池的稳定性提供一个崭新的思路。

相关工作在线发布在Energy Technology (DOI: 10.1002/ente.202000245)