引言

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

研究成果

華南理工大學材料科學與工程學院吳宏濱老師課題組證明了通過控制PC₇₁BM的LUMO以下的帶尾效應，可以有效緩解和調節(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（100 mV）進行調制。通過光電流光譜響應特性分析和結構表征的實驗結果，我們發(fā)現(xiàn)帶尾效應的減少以及電子和空穴準費米能級分裂的增加有助于改善開路電壓。此外，我們在帶拖尾和器件的光電壓輸出之間建立了相關性，提供更多有關高V_OC起源的應用，為材料的進一步改進提供理論和實驗指導依據。


圖1 60wt% PC₇₁BM的PSCs共混物的光學性質和的器件性能

氟取代法對深化的有效性，HOMO能級和PTB7-Th作為有希望的電子供體

本文首先研究了具有規(guī)則組成的倒置結構中器件的性能，其中聚合物：PC₇₁BM的比例為1:1.5。在1個太陽光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。 根據器件的J–V特性得出的器件參數，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是一種非常成功的方法。
通過將EQE數據與AM 1.5G太陽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），這些數據為了進一步增強PTB7-Th器件的V_OC和整體器件性能提供了一定的實驗依據。
表1PC₇₁BM在10％至95％之間的重量分數變化范圍
 
為了調查V_OC增強機制，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VOC的斜率與光強度的自然對數（圖3c），發(fā)現(xiàn)大多數設備在照明條件下的理想因子為1.10±0.10，器件之間的電荷動態(tài)變化不大。

圖3a 有源層中具有不同PC₇₁BM重量分數的一系列典型器件的暗伏安特性；
圖3b 黑色實線適合暗J–V的指數增長特征；圖3c  V_OC與器件的光強度自然對數

 結論

本文研究發(fā)現(xiàn)單結PSC_s材料的PCE_s超過10％，該太陽能電池性能可與非晶/微晶硅太陽能電池相比擬，是一種高效有機串聯(lián)元件。通過使用新合成的，具有深HOMO能級的窄帶隙半導體聚合物，以及控制電子受體傳導帶以下的尾態(tài)密度和共混物的無序度，該材料在相對較低的光照強度條件下（0.3–0.5太陽照射）PCE_s可以達到11%，這是朝著實現(xiàn)經濟高效的太陽能電池邁出的重要一步，也為太陽能電池材料的研究提供了一定的理論和實驗依據。

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材料科學與工程學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DSR100系列探測器光譜響應度標定系統(tǒng)”，如需了解該產品，歡迎咨詢我司。

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