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通过调控垂直成分分布,二元有机太阳能电池效率破19%
1.
前言回顾

  随着分子设计和器件工程的创新,有机太阳能电池(OSCs)的光电转换效率(PCE)已经超过了18%。高性能OSCs光活性层中采用体异质结(BHJ)结构,其中给体(D)和受体(A)材料通过混合浇铸(BC)可以形成具有较大D/A界面面积的互穿网络,有助于激子离解。然而,在一步沉积过程中,如何巧妙地平衡两种组分的自聚集性和混溶性是一个挑战,这其中涉及复杂的动力学过程。因此,BC处理的器件光伏性能在很大程度上取决于主溶剂的条件、D/A材料的混合比,加工添加剂以及后处理。因此,一定程度上很难控制薄膜的形态,尤其是BC薄膜垂直方向上的D/A分布,而这与电荷的传输和收集密切相关。

        为了有效地调整垂直相分布,将D和A材料按顺序沉积(SD)方法视为BC工艺的替代方法。由于D和A的沉积可以独立进行,形成有利的垂直相分布和改进的薄膜形态,从而提供足够的D/A界面面积和电荷载流子的直接传输路径。因此,SD膜的最佳垂直形态可以减少能量损失,提供优异的电荷传输和提取,进而获得理想的开路电压(VOC)、短路电流密度(JSC)和填充因子(FF),最终提高器件性能。

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图1.材料结构与基本性质



2.文献简介



  有鉴于此,近日,中国科学院大学黄辉教授、张昕副教授研究团队通过两步SD处理构建了基于D18和L8-BO的高性能二元光伏器件。在调整每种薄膜沉积的旋涂速度后,SD薄膜表现出优先的垂直相分离和良好控制的D/A薄膜形态。因此,最佳器件的PCE为19.05%(认证效率为18.9%),是目前二元单结OSCs的最高效率。机理研究表明,这种处理方法有效地调节了活性层的垂直成分分布,使其具有更高的结晶度、有效的激子分裂、低能量损耗和平衡的电荷传输,有利于器件的VOC、JSC和FF。令人印象深刻的是,这种垂直成分分布调控策略在提高OSCs光伏性能方面表现出了极好的通用性。


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图2.器件结构与薄膜成分分布

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图3.瞬态吸收光谱以及空穴传输过程





3.文献总结


  综上,该工作工作提出了一种简单而有效的策略,通过调控活性层的垂直成分分布来提高OSCs的光伏性能。相关研究成果最新发表于国际顶级期刊《Advanced Materials》上,题为“Binary Organic Solar Cells Breaking 19% via Manipulating Vertical Component Distribution”。

本文关键词:有机太阳能电池,二元器件,顺序沉积,垂直成分。





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