基於並聯疊層器件結構的高效非富勒烯有機太陽能電池

最新 10-27

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有機太陽能電池具有質輕、可溶液大面積加工等優勢，被認為是一種非常具有前景的可再生能源替代候選者。近年來，隨著非富勒烯受體材料的蓬勃發展，有機太陽能電池的光電轉換效率也屢次刷新。單層有機太陽能電池和疊層有機太陽能電池的效率均突破13%。

如同大多數富勒烯體系，非富勒烯體系中仍然存在基於活性層的載流子遷移率（~10-4cm2?V-1?s-1）較低等原因，從而限制了活性層的厚度，並進一步限制了其吸光度。這種不充分的光子捕獲造成的光學損失也是電池能量損失的主要來源之一。為了解決這類問題，疊層器件，尤其是並聯疊層器件表現出優異的光子捕獲效率。與串聯疊層器件相比較，並聯疊層器件不需要不同層電流值的匹配。理論上，並聯疊層器件的電流值是各個子電池的電流值之和。而不同層的電壓匹配可通過使用同種活性層的策略解決，極大地推廣了並聯疊層器件在優化光學強度分布和最大化光子吸收等方面的應用。

最近，華盛頓大學的Alex K-Y Jen教授和南京理工大學的唐衛華教授等研究者在非富勒烯有機太陽能電池領域，通過設計n–i–p–c–p–i–n結構的並聯疊層器件獲得了高效的光電轉換效率。作者使用超薄銀作為中間連接層，分別使用PEDOT:PSS修飾超薄銀和Au/MoO3中間層增強歐姆接觸。有趣的是，在後電池中強烈的光學微腔效應進一步增強了光學吸收。

圖1總結了該文章的器件結構和不同非富勒烯體系PTB7-Th/ITIC、PTB7-Th/4TIC的結構。

圖1. 器件結構及分子化學結構。

作者以PTB7-Th/ITIC體系為例，不同單一層的厚度對電池器件各個參數的影響如圖2。不同活性層的厚度與短路電流值的關係也通過光學模擬展示於圖2d。

圖2. 不同活性層厚度PTB7-Th/ITIC的（a）電壓-電流曲線；（b）電壓、電流、填充因子、效率與厚度的關係圖；（c）外量子效率；（d）活性層的厚度與短路電流值關係的光學模擬。

他們以PTB7-Th/ITIC體系為例，詳細的光學模擬以及不同超薄銀的厚度對疊層器件的影響如圖3，為後續疊層器件優化提供了指導性建議。

圖3. 光學模擬。

詳細的疊層數據器件參數如表1。基於PTB7-Th/ITIC體系的疊層器件最高效率達到10.22%；基於PTB7-Th/4TIC體系的疊層器件最高效率達到11.20%。疊層的電壓-電流曲線及外量子效率曲線如圖4。

表1. 單層及疊層電池的器件參數表。

圖4. 疊層的電壓-電流曲線及外量子效率曲線。（a）（b）PTB7-Th/ITIC體系；（c）（d）PTB7-Th/4TIC體系。

總結

與單層非富勒烯有機太陽能電池相比較，研究者通過有效的並聯疊層器件設計策略獲得明顯的短路電流值和光電轉換效率的提升。後電池中明顯的光學微腔效應有效增強了活性層在較弱光譜吸收範圍的光子捕獲。該結果顯示並聯疊層器件電池設計策略可有效緩和基於有機半導體活性層較低的遷移率導致的光學吸收瓶頸，為進一步提高有機太陽能的光電轉換效率提供了新的思路。

該論文作者為：Lijian Zuo, Jiangsheng Yu, Xueliang Shi, Francis Lin, Weihua Tang, Alex K.-Y. Jen

High-Efficiency Nonfullerene Organic Solar Cells with a Parallel Tandem Configuration

Adv. Mater.,2017, DOI: 10.1002/adma.201702547

導師介紹

Alex K-Y Jen

http://www.x-mol.com/university/faculty/1589

唐衛華

http://www.x-mol.com/university/faculty/21260

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