Advanced Energy Materials:飞秒-微秒尺度解析单组分有机太阳能电池载流子动力学

1. 研究背景:

随着新型非富勒烯受体材料的发展,有机太阳能电池的光电转换效率已接近20%。然而,有机太阳能电池常用的本体异质结结构是由电子给体材料以及受体材料通过共混的方式形成,其通常处于热力学不平衡状态,从而可能导致有机材料相分离、引起光伏器件性能的衰减。为了提高有机太阳能电池的形貌稳定性,一种有效的方法是将电子给体材料和受体材料通过化学键的方式结合起来,也就是有机单组分材料。单组分材料能高效完成光吸收、激子解离和电荷传输等物理过程,与多组分本体异质结结构相比具有更高的形貌稳定性及简化的器件制备与优化等优势。近年来,随着对单组分材料的深入研究,其器件性能已经从2-3%左右提高到6-8%的水平,并且取得了超过10%的最高效率,但仍然整体落后于目前高性能的有机本体异质结太阳能电池。因此,加强对单组分有机太阳能电池载流子动力学的研究和认识,有助于加速其性能的进一步提升。

2. 文章概述:

近日,埃尔朗根-纽伦堡大学Christoph J. Brabec教授团队首次在横跨七个数量级的时间尺度上研究了单组分材料与器件的载流子动力学,包括飞秒到皮秒的电荷生成以及纳秒到微秒的电荷复合过程。文中使用了具有代表性的双缆聚合物PBDBPBI-Cl作为活性层,研究了不同温度的热退火处理对电荷解离和复合过程的影响。由于高效的电荷产生以及减弱的电荷复合,经过230℃退火处理的有机太阳能电池可以取得最优的光电转换性能。

文章的第一作者为埃尔朗根-纽伦堡大学的和亚昆博士,李宁博士和Brabec教授为该文章的通讯作者。北京化工大学的李韦伟教授团队提供了该研究用到的双缆聚合物材料。

3. 图文导读:

图1.单组分材料的效率演变:采用侧链方法的聚合物、采用链内方法的聚合物、具有D-A、D-A-D或A-D-A结构的分子。四种类型单组分材料示意图如右侧所示。

图2. A) 双缆聚合物PBDBPBI-Cl化学结构,B) 薄膜吸收曲线:供体PBDBT-Cl、受体PBI和双缆聚合物PBDBPBI-Cl,C) 薄膜归一化荧光光谱:供体PBDBT-Cl、受体PBI和室温(RT)、150和230 °C热处理的双缆聚合物PBDBPBI-Cl(488 nm激发)。

图3. A)光激发动力学示意图,B-D)150℃热退火PBDBPBI-Cl不同延迟时间的TAS光谱,蓝色点为实验数据点,虚线为光谱分解(橙色为PBDBT-Cl,绿色为背景,红色为PBI)。E-H)不同延迟时间下供体极化子和受体极化子的绝对光谱权重。RT、150和230℃分别指不同温度热退火PBDBPBI-Cl样品。BHJ表示PBDBT-Cl:PBI体异质结样品。虚线显示高斯卷积的双指数衰变模型拟合。

图4. 受体PBI、体异质结PBDBT-Cl:PBI和RT、150和230℃热退火PBDBPBI-Cl薄膜PL动力学(402nm激发)。A)600nm处荧光发射,B)845nm处荧光发射。插图为放大图。灰色为仪器响应。

图5. 不同热退火温度PBDBPBI-Cl薄膜ns-µs TAS衰减曲线。532nm激发,850nm探测。

4. 结论:

此工作研究了单组分有机太阳能电池的载流子动力学,包括飞秒-皮秒过程的瞬态光谱吸收,皮秒-纳秒的瞬态光致发光,纳米-微秒的瞬态光谱吸收等,揭示了不同时间尺度的载流子动态,展示了双缆聚合物PBDBPBI-Cl在热退火处理后电荷生成、传输以及复合的演变。通过提高热退火温度,电荷解离更高效,双分子和单分子复合降低,从而取得了优秀的光伏性能。

5. 作者简介:

和亚昆,2021年博士毕业于埃尔朗根-纽伦堡大学(FAU),师从光伏领域领军人物Christoph J. Brabec教授,以第一作者(含共一)在Advanced Materials (1篇),Advanced Energy Materials(2篇),Journal of Materials Chemistry A(2 篇)等期刊发表SCI论文7篇。

Christoph J. Brabec教授,目前在Helmholtz Institute Erlangen-Nürnberg (HI-ErN) 担任高通量光伏方向的研究室主任,同时在埃尔兰根-纽伦堡大学(FAU)担任电子和能源技术材料学院(i-MEET)院长,领导课题组成功开发了国际上首个自动化高通量光电器件制备实验平台。此外,他还曾是有机薄膜光伏电池Konarka公司的首席技术官、巴伐利亚州可再生能源研究机构(ZAE Bayern)埃尔朗根分部以及纽伦堡能源大学(EnCN)的联合创始人,发表SCI研究论文800余篇,专利100余项,H-指数为129,并连续于2013至2020年度入选汤森路透全球材料学科“高被引科学家”,研究领域涵盖了材料科学,能源科技,有机半导体物理与器件等方面。

论文信息:

Unraveling the Charge-Carrier Dynamics from the Femtosecond to the Microsecond Time Scale in Double-Cable Polymer-Based Single-Component Organic Solar Cells

Yakun He, Bingzhe Wang, Larry Lüer, Guitao Feng, Andres Osvet, Thomas Heumüller, Chao Liu, Weiwei Li, Dirk M. Guldi, Ning Li*, Christoph J. Brabec*

Advanced Energy Materials

DOI: 10.1002/aenm.202103406

原文链接:https://doi.org/10.1002/aenm.202103406