Advanced Functional Materials:吸收光谱补偿装置提升窄带隙非富勒烯受体器件光电转换效率

有机太阳能电池(OSCs)由于其易于制备、质量轻、成本低以及可柔性等优点而被认为是一种新兴的可再生和可持续的能源技术,并且随着合理有效地材料合成、界面工程等方面的进展,尤其是窄带隙非富勒烯受体(NFAs)的使用,OSCs的功率转换效率(PCE)已经达到了19%。在选择合适的活性层体系时,不仅要考虑给体和受体材料的吸收光谱互补,还要考虑到给受体之间的能级偏移,以获得尽可能大的光吸收能力以及减少开路电压损失。尽管OSCs的器件效率得到了快速提升,但基于窄带隙NFAs的OSCs在蓝光区域内(400 – 500 nm)的光俘获能力较差,导致其外量子效率(EQE)响应很低,只有50%-60%,而为了进一步地提升OSCs的效率,就需要增加活性层在蓝光区域内的吸光能力。三元策略以及串联电池策略似乎可以解决这个问题,但是由于整体性能的下降以及繁琐严格的制备工艺和要求,依旧限制了该方法的进展;周期性的光修饰微纳结构可以增加入射光在活性层中的光程,结合由此引入的表面等离子体激元(SPP)可以极大的增强活性层中的光俘获能力,但根据光栅方程,相当一部分光集中在零衍射级,无法达到增加光程以及激发SPP的作用,并且光修饰效果也会随着入射光波长的降低而降低,导致无法有效地抑制OSCs中入射光的能量损失。

苏州大学唐建新教授、陈敬德副研究员和中科院福建物构所郑庆东教授的科研团队合作报道了一种利用吸收光谱补偿装置(ASCC)来降低基于NFAs的OSCs中能量损失从而有效提升器件效率的方法。在有机发光二极管波导模式中能量损失的启发下,结合闪耀光栅可以将光能集中在所需要的衍射级的特点,他们制备了由图案化银电极和折射率失配界面构成的ASCC。研究结果表明,ASCC可以增大入射光在器件内部的光程,提高器件的光俘获效率,同时,由于银背电极较强的偏光能力,结合折射率失配的Glass/ITO界面,将蓝光很好地捕获在器件中,并且结构的引入并不会明显影响器件的电荷提取和收集能力,因此可以有效地提升器件的功率转换效率。该研究工作通过将ASCC引入到OSCs中,光响应在全光谱范围内得到了一定的加强,尤其是在蓝光区域提升效果较为明显,在405 nm处最大增长比为1.5倍,使用宽带隙聚合物给体PM6与新型非富勒烯受体M36作为活性层,最终获得了接近18%的最大PCE。该工作展现了利用闪耀光栅结构化的背电极来补偿OSCs低吸收的优势,为构筑新型器件结构、提升非富勒烯太阳能电池在从紫外到近红外区域中的光俘获能力提供了新思路。

论文信息:

Absorption Spectrum-Compensating Configuration Reduces the Energy Loss of Nonfullerene Organic Solar Cells

Hao Ren, Yunlong Ma, Hui-Min Liu, Jing-De Chen*, Ye-Fan Zhang, Hong-Yi Hou, Yan-Qing Li, Qingdong Zheng*, Jian-Xin Tang*

Advanced Functional Materials

DOI: 10.1002/adfm.202109735

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202109735