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西安交大留学生 在形貌控制聚合物太阳电池器件物理过程方面发表重要综述

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聚合物太阳电池具有制备工艺简单、柔性、半透明等优点,得到了快速发展。与无机太阳能电池相比,有机太阳能电池的光生电荷由于在扩散、转移、传输和提取过程中存在着严重的能量损失,限制了其器件性能的进一步提高。目前有机太阳能电池的短路电流(Jsc)和填充因子(FF)都可以与无机以及钙钛矿太阳能电池相媲美,开路电压(Voc)是限制其发展的重要参数。由于光生电荷的产生和传输过程存在较高的能量损失,通常有机太阳能电池的Voc会被限制在0.6V-1.0V之间。当前高效单节体相异质结的器件性能由于电压限制(Voc<0.9V),无法得到进一步提升。相比之下,电压大于0.9V的器件往往由于不良的界面排列及较差的体相纳米结构,导致较低的Jsc、FF及器件性能。因此,如何在保证电流和FF的情况下,有效抑制有机太阳能电池中的能量损失并提高Voc是进一步提升器件效率的核心关键因素。

针对这一问题,西安交通大学马伟教授课题组系统归纳了有机太阳能电池活性层的纳米结构形貌对器件物理过程的影响,总结了界面和体相处纳米结构对改善电荷转移、传输、提取,降低有机太阳能电池的能量损失的特征,从而建立了形貌—器件物理—器件性能之间的全链条关系。作者首先归纳了分子取向和结晶性对能带(Eg)的影响,讨论了电子给体/受体界面处分子排列在电荷转移(CT)态、电荷分离(CS)态下能量损失以及非辐射损失中的作用,认为界面处低序排列的结构能够提高CT态能量,降低界面处能量损失。随后,他们详细阐述了体相中的纳米结构对激子扩散及载流子传输过程中复合损失的影响,提出匹配的给、受体结晶性是延长激子寿命并减小体相中能量损失的基础。根据上述观点,作者给出了基于聚合物小分子体系的选材指导:给体聚合物应具有较高结晶性,受体小分子要尽可能地形成匹配的结晶区。研究从界面及体相结构对有机半导体能量特性及器件物理过程的影响入手,指出减小界面损失、体相损失、非辐射损失的形貌调控方向,为新材料的设计及器件的优化提供了思路。

上述成果以《界面和体相纳米结构控制聚合物太阳能电池中的电荷损失》(Interfacial and Bulk Nanostructures Control Loss of Charges in Organic Solar Cells)为题发表在著名化学综述《化学研究报告》(Accounts of Chemical Research)(IF=21.661)。马伟教授为本文的通讯作者,国际博士研究生Hafiz Bilal Naveed为第一作者,西安交通大学金属材料强度国家重点实验室为本文的唯一通讯单位。

该工作得到了科技部、国家自然科学基金委员会、111项目2.0项目和西安交通大学青年拔尖人才支持计划的资助。

2019-10-22
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