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引言

聚合物太陽(yáng)能電池是具備較大前景的下一代光伏電池，可以通過(guò)室溫溶液處理法制造，其中，串聯(lián)聚合物太陽(yáng)能電池因其10％的高功率轉(zhuǎn)換效率而備受關(guān)注。華南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院吳宏濱老師課題組，研究了一種新開發(fā)的半導(dǎo)體聚合物電池，通過(guò)改變活性層的成分和共混物的結(jié)構(gòu)順序來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)帶狀拖尾的控制，使材料具有高性能光敏層、更高的化合價(jià)能級(jí)，在電子結(jié)中將尾態(tài)密度降低到電子受體的導(dǎo)帶以下，在單結(jié)器件中實(shí)現(xiàn)了類似串聯(lián)聚合物電池的效率。

研究成果

華南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院吳宏濱老師課題組證明了通過(guò)控制PC₇₁BM的LUMO以下的帶尾效應(yīng)，可以有效緩解和調(diào)節(jié)基于窄帶隙聚合物PSC_s的開路電壓中的基本損耗，并且可以在很寬的范圍內(nèi)（100 mV）進(jìn)行調(diào)制。通過(guò)光電流光譜響應(yīng)特性分析和結(jié)構(gòu)表征的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，我們發(fā)現(xiàn)帶尾效應(yīng)的減少以及電子和空穴準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)分裂的增加有助于改善開路電壓。此外，我們?cè)趲衔埠推骷墓怆妷狠敵鲋g建立了相關(guān)性，提供更多有關(guān)高V_OC起源的應(yīng)用，為材料的進(jìn)一步改進(jìn)提供理論和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)依據(jù)。


圖1 60wt% PC₇₁BM的PSCs共混物的光學(xué)性質(zhì)和的器件性能

氟取代法對(duì)深化的有效性，HOMO能級(jí)和PTB7-Th作為有希望的電子供體

本文首先研究了具有規(guī)則組成的倒置結(jié)構(gòu)中器件的性能，其中聚合物：PC₇₁BM的比例為1:1.5。在1個(gè)太陽(yáng)光1000 W m^-2的光照，模擬AM 1.5G照明情況下，PSCs展現(xiàn)出了非常好的光電性能。 根據(jù)器件的J–V特性得出的器件參數(shù)，如V_OC，J_sc和填充因子（FF）分別為0.815 V，17.52 mA cm^-2和72.0％，效率為10.28 ％。 與我們以前的報(bào)告中PTB7器件的性能相比（V_OC= 0.740 V，J_sc= 17.20 mA cm^-2，F(xiàn)F = 72.0％和PCE = 9.15％），PTB7-Th器件具有更高的V_OC和更高的J_sc，表明氟取代基方法確實(shí)是一種非常成功的方法。
通過(guò)將EQE數(shù)據(jù)與AM 1.5G太陽(yáng)光譜的乘積積分而獲得的理論J_sc為17.99 mA cm^-2，這與從J–V特征曲線獲得的值非常吻合（圖1b，表1），這些數(shù)據(jù)為了進(jìn)一步增強(qiáng)PTB7-Th器件的V_OC和整體器件性能提供了一定的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。
表1PC₇₁BM在10％至95％之間的重量分?jǐn)?shù)變化范圍
 
為了調(diào)查V_OC增強(qiáng)機(jī)制，本文分析了器件的暗飽和電流，從圖3a，b中可以看出，所有曲線斜率基本一致，其理想因子值為1.45±0.15。根據(jù)VOC的斜率與光強(qiáng)度的自然對(duì)數(shù)（圖3c），發(fā)現(xiàn)大多數(shù)設(shè)備在照明條件下的理想因子為1.10±0.10，器件之間的電荷動(dòng)態(tài)變化不大。

圖3a 有源層中具有不同PC₇₁BM重量分?jǐn)?shù)的一系列典型器件的暗伏安特性；
圖3b 黑色實(shí)線適合暗J–V的指數(shù)增長(zhǎng)特征；圖3c  V_OC與器件的光強(qiáng)度自然對(duì)數(shù)

 結(jié)論

本文研究發(fā)現(xiàn)單結(jié)PSC_s材料的PCE_s超過(guò)10％，該太陽(yáng)能電池性能可與非晶/微晶硅太陽(yáng)能電池相比擬，是一種高效有機(jī)串聯(lián)元件。通過(guò)使用新合成的，具有深HOMO能級(jí)的窄帶隙半導(dǎo)體聚合物，以及控制電子受體傳導(dǎo)帶以下的尾態(tài)密度和共混物的無(wú)序度，該材料在相對(duì)較低的光照強(qiáng)度條件下（0.3–0.5太陽(yáng)照射）PCE_s可以達(dá)到11%，這是朝著實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)高效的太陽(yáng)能電池邁出的重要一步，也為太陽(yáng)能電池材料的研究提供了一定的理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

文章信息

這一成果發(fā)表在nature photonics上，該文章是由華南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院吳宏濱老師課題組完成，
本研究采用的是北京卓立漢光儀器有限公司 “研究級(jí)DSR100系列探測(cè)器光譜響應(yīng)度標(biāo)定系統(tǒng)”，如需了解該產(chǎn)品，歡迎咨詢我司。

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