導(dǎo)語:研究人員基于D18:N3體系制備了高性能不透明和半透明的OPV器件。當(dāng)D18:N3的重量比為0.7:1.6時,不透明OPV器件的光電轉(zhuǎn)換效率(PCE)達到16.18%,相應(yīng)的共混膜的平均可見光透過率(AVT)高達50.07%。張福俊&丁黎明團隊AFM:寬帶隙聚合物給體實現(xiàn)高效半透明有機光伏器件
1.前言
有機光伏(OPV)技術(shù)由于具有半透明、重量輕、溶液可加工性和大面積制造等優(yōu)點,是新型光伏應(yīng)用中最有前景的技術(shù)之一。目前,不透明OPV器件的光電轉(zhuǎn)換效率(PCE)已經(jīng)突破了19%。然而,半透明OPV器件的PCE卻依舊落后,這是因為在370-740 nm光波長范圍內(nèi)如果追求高平均可見光透過率(AVT),會造成PCE的相應(yīng)降低。半透明OPV的關(guān)鍵問題在于如何同時實現(xiàn)高AVT和PCE。
窄帶隙聚合物給體和小分子受體通常是制備半透明OPV器件的首選,它可以實現(xiàn)可見光透射和強近紅外光吸收,從而實現(xiàn)高PCE。然而,寬帶隙聚合物給體具有較小的半高全寬,由于在可見光范圍內(nèi)的窄光子捕獲能力更強使得AVT更高,這在制備高性能半透明OPV器件方面很有前景。除了合理選擇活性層材料外,半透明頂電極也是實現(xiàn)高效半透明OPV的關(guān)鍵。因此,需要對電極材料和厚度同時進行優(yōu)化,以實現(xiàn)盡可能高的AVT和導(dǎo)電性。
圖1:分子結(jié)構(gòu)與基本性質(zhì)
2.簡介
基于以上的考慮,近日,北京交通大學(xué)張??〗淌?、國家納米科學(xué)中心丁黎明研究員等人團隊展開合作,通過以寬帶隙聚合物D18為給體,窄帶隙小分子N3為受體,制備了高性能不透明和半透明的OPV器件。事實上,D18的稠環(huán)受體單元的剛性和擴展的分子平面有利于增強膜中的π-π堆積和良好的空穴遷移率。此外,D18和N3的HOMO/LUMO水平為5.51/2.77 eV和5.73/3.88 eV。其中,D18的HOMO水平和N3的LUMO水平之間的偏移量為1.63 eV,從而導(dǎo)致相對較大的開路電壓。與其它常用的聚合物給體相比,D18的吸收光譜顯示出相對較小的118 nm半高全寬,這有助于獲得以D18為給體的半透明OPV的高AVT。
圖2:不同器件的光伏性能
研究結(jié)果顯示,隨著D18:N3的重量比從1.1:1.6降至0.6:1.6時,D18:N3共混膜的AVT值可從38.45%提高到53.07%,相應(yīng)不透明OPV器件的PCE值從17.46%降至15.07%。同時,所有不透明OPV器件的填充因子均可保持在77.0%以上。當(dāng)D18:N3的重量比為0.7:1.6時,不透明OPV器件的PCE達到16.18%,相應(yīng)的共混膜的AVT高達50.07%,這些結(jié)果說明了該體系制備高效半透明OPV器件的巨大潛力。在這種情況下,當(dāng)以1 nm Au/10 nm Ag作為陰極時,最佳半透明OPV器件可以獲得12.91%的PCE和22.49%的AVT,最大光利用效率(LUE)為2.90%,是目前報道的半透明OPV器件的最佳性能之一。
圖3.半透明器件性能
3.總結(jié)
綜上,該工作對利用寬帶隙聚合物作為給體制備高效半透明OPV器件具有指導(dǎo)意義。相關(guān)研究成果現(xiàn)已發(fā)表在國際材料與器件領(lǐng)域著名學(xué)術(shù)期刊《Advanced Functional Materials》上,題為“Wide Bandgap Polymer with Narrow Photon Harvesting in Visible Light Range Enables Efficient Semitransparent Organic Photovoltaics”。
D18:2433725-54-1
N3:2640657-07-2
原標(biāo)題:張???amp;丁黎明AFM:寬帶隙聚合物給體實現(xiàn)高效半透明有機光伏器件