使用光強調變技術分析第三代太陽能電池中雙分子複合機理研究

使用光強調變技術分析第三代太陽能電池中雙分子複合機理研究

雙分子複合(bimolecule recombination) 是當前BHJ有機太陽能電池(OPV)中最重要的複合機制,其會影響太陽能電池的J-V特性並限制VocFF,這已是此領域裡普遍的共識。對於雙分子複合的探討,小編推薦最近劍橋R. H. Friend 實驗室團隊發表的一篇Review 文章,可以快速瞭解到有機太陽能電池領域中,探討雙分子複合機制的趨勢。(Ref. 1)
近日,中科學院化學所李永舫院士課題組在Adv. Energy Mater. 發表了高效率三元非富勒希的有機太陽能電池(Ref. 2),採用兩個聚合物給體(Donor)和一個有機非富勒希受體(acceptor)。結果表明在聚合物給體J51中加入適量的(20%PTB7-Th聚合物可有效改善有機太陽能電池短路電流密度,使電池轉換效率由8.9%提升至9.7%。外部量子效率(EQE)測量結果顯示,三元器件的EQE450 nm ~ 700 nm的寬波長範圍內都顯著的提高。驗證了添加10 %與20 % PTB7-Th聚合物確實可以提升器件的Jsc



▲圖一 李院士課題組在J51:ITIC二元器件中加入不同比例的第三元聚合物PTB7-Th後,三源器件的轉換效率與PTB7-Th摻雜比例關係。結果顯示,在20%PTB7-Th的混和下,三元器件的轉換效率較二元的轉換效率由8.9%提升到9.7%。
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▲圖二 不同混和比例的三元富勒希器件,添加了10%20%相對J51比例的PTB7-Th 後的EQE,在450 nm~700 nm間的EQE顯著提升進10%,為圖一的結果提供了光譜上的證據。

為了說明短路電流密度Jsc的增加是由於PTB7-Th抑制了雙分子複合的機制,李院士課題組採用了太陽光模擬器光強調變技術來測量二元與三元器件的Jsc對照度強度的依賴性。下面我們將簡要介紹一下這個技術。過去幾年通過大量超快光電測量技術進行OPV複合動力學實驗研究以及對J-V曲線詳細的建模分析,雙分子複合現在已被廣泛接受為BHJ OPV中主要的複合機制。這些研究成功地建立了雙分子複合機制與幾個重要OPV特性參數之間的關係(如VOC,FFs和二極體理想因數)。通過這些關係,使我們可以根據簡單的J-V曲線測量結果來徹底分析OPV器件內部發生的損耗。Koster和同事已經找到了Jsc與光強度的簡單關係並發表2001年的Adv. Mater. 期刊上,其關係為:J_SC∝I^α  ; I^α  是照射光強度。一般來說,當α等於1時,雙分子複合的影響可以忽略不計。(Ref. 3) 

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▲圖三 Koster和同事發現P3HT:PCBM器件在不同溫度下,短路電流密度與光強度的關係均依循了J_SC∝I^α。一般來說,當α等於1時,雙分子複合的影響可以忽略不計。(Ref. 3) 

李永舫院士課題組也採用了相同的方法來探究雙分子複合對器件效率的影響,以證明三元器件與二元器件相比,其Jsc增加是來自PTB7-Th聚合物摻雜後抑制了雙分子的複合效率。針對混和了不同PTB7-Th聚合物比例的三元太陽能電池在不同光強下的短路電流密度,擬合後所得到的α,如圖四、圖五顯示,在20% PTB7-Th混和比例下α=0.979最大,同時也是短路電流密度與轉換效率最高,表明了這個混和比例是在此系統中最優化的條件。
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▲圖四 採用光強調變技術來測試三元太陽能電池在不同光照強度下的短路電流密度。在取得曲線後,已J_SC∝I^α來擬合曲線,即可得到擬合後的結果α。α越大代表雙分子複合的損耗越小。

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▲圖五 將圖四中的α對不同PTB-Th混和比例做圖,可明確看到隨著增加PTB7-Th比例,α隨之上升,顯示雙分子複合損耗降低,而在20% PTB-Th混和比例下α=0.979最大,同時也是短路電流密度與轉換效率最高。 


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參考文獻:


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)