使用光强调变技术分析有机太阳能电池中双分子复合机理研究

使用光强调变技术分析有机太阳能电池中双分子复合机理研究

双分子复合(bimolecule recombination) 是当前BHJ有机太阳能电池(OPV)中最重要的复合机制,其会影响太阳能电池的J-V特性并限制VocFF,这已是此领域里普遍的共识。对于双分子复合的探讨,小编推荐最近剑桥R. H. Friend 实验室团队发表的一篇Review 文章,可以快速了解到有机太阳能电池领域中,探讨双分子复合机制的趋势。(Ref. 1)
近日,中科学院化学所李永舫院士课题组在Adv. Energy Mater. 发表了高效率三元非富勒希的有机太阳能电池(Ref. 2),采用两个聚合物给体(Donor)和一个有机非富勒希受体(acceptor)。结果表明在聚合物给体J51中加入适量的(20%PTB7-Th聚合物可有效改善有机太阳能电池短路电流密度,使电池转换效率由8.9%提升至9.7%。外部量子效率(EQE)测量结果显示,三元器件的EQE450 nm ~ 700 nm的宽波长范围内都显著的提高。验证了添加10 %与20 % PTB7-Th聚合物确实可以提升器件的Jsc



▲图一 李院士课题组在J51:ITIC二元器件中加入不同比例的第三元聚合物PTB7-Th后,三源器件的转换效率与PTB7-Th掺杂比例关系。结果显示,在20%PTB7-Th的混和下,三元器件的转换效率较二元的转换效率由8.9%提升到9.7%。
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▲图二 不同混和比例的三元富勒希器件,添加了10%20%相对J51比例的PTB7-Th 后的EQE,在450 nm~700 nm间的EQE显著提升进10%,为图一的结果提供了光谱上的证据。

为了说明短路电流密度Jsc的增加是由于PTB7-Th抑制了双分子复合的机制,李院士课题组采用了太阳光模拟器光强调变技术来测量二元与三元器件的Jsc对照度强度的依赖性。下面我们将简要介绍一下这个技术。过去几年通过大量超快光电测量技术进行OPV复合动力学实验研究以及对J-V曲线详细的建模分析,双分子复合现在已被广泛接受为BHJ OPV中主要的复合机制。这些研究成功地建立了双分子复合机制与几个重要OPV特性参数之间的关系(如VOC,FFs和二极体理想因数)。通过这些关系,使我们可以根据简单的J-V曲线测量结果来彻底分析OPV器件内部发生的损耗。Koster和同事已经找到了Jsc与光强度的简单关系并发表2001年的Adv. Mater. 期刊上,其关系为:J_SC∝I^α  ; I^α  是照射光强度。一般来说,当α等于1时,双分子复合的影响可以忽略不计。(Ref. 3) 

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▲图三 Koster和同事发现P3HT:PCBM器件在不同温度下,短路电流密度与光强度的关系均依循了J_SC∝I^α。一般来说,当α等于1时,双分子复合的影响可以忽略不计。(Ref. 3) 

李永舫院士课题组也采用了相同的方法来探究双分子复合对器件效率的影响,以证明三元器件与二元器件相比,其Jsc增加是来自PTB7-Th聚合物掺杂后抑制了双分子的复合效率。针对混和了不同PTB7-Th聚合物比例的三元太阳能电池在不同光强下的短路电流密度,拟合后所得到的α,如图四、图五显示,在20% PTB7-Th混和比例下α=0.979最大,同时也是短路电流密度与转换效率最高,表明了这个混和比例是在此系统中最优化的条件。
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▲图四 采用光强调变技术来测试三元太阳能电池在不同光照强度下的短路电流密度。在取得曲线后,已J_SC∝I^α来拟合曲线,即可得到拟合后的结果α。α越大代表双分子复合的损耗越小。

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▲图五 将图四中的α对不同PTB-Th混和比例做图,可明确看到随着增加PTB7-Th比例,α随之上升,显示双分子复合损耗降低,而在20% PTB-Th混和比例下α=0.979最大,同时也是短路电流密度与转换效率最高。 


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参考文献:


Ref. 1. Girish Lakhwani, Akshay Rao, and Richard H. Friend Bimolecular Recombination in Organic Photovoltaics Annual Reviews 65, 557 (2014)

Ref. 2. Lian Zhong, Liang Gao, Haijun Bin, Qin Hu, Zhi-Guo Zhang, Feng Liu, Thomas P. Russell, Zhanjun Zhang, Yongfang Li High Efficiency Ternary Nonfullerene

 Polymer Solar Cells with Two Polymer Donors and an Organic Semiconductor Acceptor. Advanced Energy Materials 

 http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.201602215/abstract 
Ref. 3. L. Jan Anton Koster, Martijn Kemerink, Martijn M. Wienk, Klará Maturová, René A. J. Janssen Quantifying Bimolecular Recombination Losses in Organic Bulk Heterojunction Solar Cells. Adv. Mater. 23, 1670 (2011)