北航張淵Adv. Funct. Mater.:非富勒烯有機太陽能電池的能量無序對開路電壓的影響

2021-02-13 新能源前線

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過去幾年中，基於有機物給體與非富勒烯受體共混的有機塊體異質結(BHJ)太陽能電池得到迅速發展，最高效率已經突破到13%。然而非富勒烯聚合物太陽能電池開路電壓的損耗一直是讓業界困擾的問題，因此了解開路電壓的損耗機制是進一步提高光伏性能的關鍵。

近期，北京航天航空大學張淵教授與國家納米科學中心的周惠瓊教授（共同通訊作者）在Adv. Funct. Mater.上發表了一篇名為「Effects of Nonradiative Losses at Charge Transfer States and Energetic Disorder on the Open-Circuit Voltage in Nonfullerene Organic Solar Cells」的文章。該研究通過研究三種不同類型的高效率聚合物太陽能電池，探索了電荷傳輸、能量無序和電荷轉移態對開路電壓損耗的影響。

圖1：選取的三種電池的材料結構、電池結構與器件性能

(a). 材料的分子結構和電池的結構示意圖；

(b). 三種電池的J-V曲線；插圖為材料能級圖；

(c). 三種電池的吸收光譜；

(d). 三種電池的EQE。

圖2：各種受體的有機太陽能電池短路電流和開路電壓與光強的曲線，光電流與有效偏壓的關係

(a). 不同受體的BHJ太陽能電池的短路電流和開路電壓與光強的曲線;

(b-d). 不同受體的BHJ太陽能電池的光電流與有效偏壓的曲線。

(a-c). 三種BHJ電池在不同溫度下的J-V曲線；

(d). 三種BHJ電池的開路電壓隨溫度的變化趨勢；

(e). PC71BM和ITIC器件的開路電壓的差值隨溫度的變化趨勢。

(a-b). 不同BHJ薄膜的空穴遷移率與電子遷移率隨溫度的變化關係；

(c). 空穴遷移率與電子遷移率之比與溫度的變化關係；

(d). 給體與受體材料界面的能帶圖。

(a). 不同BHJ太陽能電池的高精度EQE光譜譜；

(b). 純的聚合物給體和受體的高精度EQE譜；

(c). 不同BHJ太陽能電池的電致發光譜；

(d). 不同BHJ太陽能電池的電致發光量子效率。

研究者系統地研究了三種不同類型受體材料有機BHJ太陽能電池的開路電壓損失的具體原因。結果表明，最大限度地減少能量無序度是減緩開路電壓損失和改善器件的性能的關鍵。這項工作對於提高新興非富勒烯太陽能電池的效率具有指導意義。

文獻連結：Effects of Nonradiative Losses at Charge Transfer States and Energetic Disorder on the Open-Circuit Voltage in Nonfullerene Organic Solar Cells (Adv. Funct. Mater. 2017, DOI: 10.1002/adfm.201705659)

團隊介紹

張淵課題組隸屬黑格爾北京研究與發展中心和北航化學學院，課題組成立於2015年秋季。目前主要從事有機和鈣鈦礦材料性質的研究以及在能源轉換、光探測器等方面的應用。課題組PI長期從事有機半導體器件物理性質的研究，偏重於對材料光電性質和器件工作機理的理解，積累了較豐富的研究經驗，目前團隊有10人左右。

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Understanding Charge Transport and Recombination Losses in High Performance Polymer Solar Cells with Non-Fullerene Acceptors (DOI：10.1039/C7TA05865A)

注：本文由新能源前線 金也 編輯整理，僅供學術交流。


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