Advanced Energy Materials:探索填充因子超过80%的三元有机太阳能电池界面载流子动力学与能量损失

有机太阳能电池由于半透明,制造工艺简单、可做成大面积柔性器件等优点,受到广泛关注。相比于二元策略,采用三元结构集成到一个体异质结(BHJ)光活性层中,其通常表现出对光吸收范围的扩展,提高了短路电流密度(Jsc)和光电转换效率(PCE)。然而,随着新型给体和非富勒烯受体(NFAs)的发展,这些分子具有强而宽的光吸收能力。因此,在增强光吸收方面,采用三元结构提高PCE的空间有限,而Jsc中的提升主要来自于三元器件中异质结界面电子结构与微观聚集形貌的优化,抑制电荷复合损失。填充因子(FF)体现了太阳能电池中电荷产生、传输和收集能力,直接反映了输出电流密度-电压(J–V)曲线形状。一般晶体硅电池的FF非常高,超过81%,钙钛矿太阳能电池的FF值也在79%-82%之间。然而,受限于电荷传输复合能量损失,大多数三元OSCs的FF相对较低(一般低于78%),阻碍了器件性能的提升。因此FF对提升OSC器件性能至关重要。

近日,华东师范大学保秦烨课题组及合作者对三元OSCs的界面电荷动力学进行了系统分析。通过构建PM6:DRTB-T-C4:Y6三元有机半导体异质结,取得了填充因子FF为80.88%(第三方权威验证78.30%)的三元有机光伏器件。研究人员借助飞秒瞬态吸收光谱、瞬态光电压/光电流等手段,并结合电荷提取-复合竞争模型,深入分析了三元异质结界面载流子动力学与能量损失。研究发现,即使在不同光强条件下,与二元PM6:Y6体系相比,PM6:DRTB-T-C4:Y6展示了高激子扩散和解离速率,长载流子寿命,以及较低的非辐射复合系数。同时电路模型进一步证实界面能量损失接近于最优状态。该工作揭示了取得高填充因子的物理机制。

图1:Fs-TA瞬态吸收光谱与复合系数

论文信息:

Exploring the Charge Dynamics and Energy Loss in Ternary Organic Solar Cells with a Fill Factor Exceeding 80%

Yihan Zeng, Danqin Li, Zuo Xiao, Hongbo Wu, Zeng Chen, Tianyu Hao, Shaobing Xiong, Zaifei Ma, Haiming Zhu, Liming Ding*, Qinye Bao*

Advanced Energy Materials

DOI: 10.1002/aenm.202101338

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202101338