电子科大《EES》:迄今为止性能最好的无ITO有机太阳能电池!

近年来,有机太阳能电池(OSC)取得了突飞猛进的进步,功率转换效率(PCE)达到了17%,这在很大程度上得益于非富勒烯受体(NFA)和相关设备架构的发展。在过去的20年中,基于富勒烯的OSC的PCE达到了约12%13,14,这是因为在较长波长区域遇到了明显的能量损失(40.6 eV)和吸收不良。相反,基于NFA的OSC允许利用从可见光到近红外的宽范围太阳光子,并减少了能量损失,从而改善了设备的短路电流(Jsc)和开路电压(Voc)。
到目前为止,大多数有效的NFA OSC仅在最佳厚度为B100 nm的体异质结(BHJ)层上才能很好地工作。在这种条件下,有效的OSC可以达到接近100%的内部量子效率。然而,这样的OSC仍然受到薄BHJ层(B100 nm)的光捕获不足的影响,吸收率和外部量子效率(EQE)不到80%,因此损害了它们可获得的效率。要获得高效的有机太阳能电池(OSC),则需要很好地平衡本体异质结(BHJ)混合物的电压损耗与光电流生成之间的关系。
来自电子科技大学等单位的研究人员通过结合新设计的柱状微腔(CPM)来开发高性能的不含ITO的OSC,从而有效地对薄近红外BHJ进行光学限制。借助于光干扰、图案化电极的光散射和局部表面等离子体激元,对于厚度接近100nm的薄BHJ而言,OSC的光电流密度(Jsc)值得到了很大的提高。此外,在经过自组装单层(SAM)处理的无ITO OSC中可确保高开路电压(Voc)和填充因子(FF)。结果表面,对于三元PBDB-T-SF:ITIC-Th:IT-4F和二元PM6:Y6混合物,倒置架构中不含ITO的OSC的功率转换效率(PCE)分别达到了15.5%和17.5%。,但显示出较少的入射角依赖性的理想特征。总体而言,这些具有CPM的OSC不仅比相应的ITO器件具有显着的性能增强,而且代表了迄今为止性能最好的无ITO的OSC。相关论文以题为Highly efficient ITO-free organic solar cells with a column-patterned microcavity发表在Energy & Environmental Science。
论文链接:
https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2021/EE/D0EE03387A
图1.这项工作中的分子和装置特性示意图。
图2.ITO和基于平面微腔(MC)的OSC的光伏性能,不同比例的PBDB-T-SF:ITIC-Th:IT-4FBHJ层示意图。
图3.光吸收光谱的角度依赖性。(a)ITO,(b)MC和(c)基于CPM的设备。
图4.OSC的设备配置和光学分布示意图。
图5在不同架构中基于各种ITIC-Th:IT-4F非富勒烯受体的无ITO的OSC的器件特性示意图。(a)J–V特性。(b)EQE光谱。
图6.不含ITO的OSC的器件特性。
图7.基于具有不同架构的PM6:Y6 BHJ层的OSC的设备特性。
综上所述,通过结合柱状微腔结构,已开发出了高效的无ITO的OSC,而用于三元PBDB-TSF:ITIC-Th:IT-4F BHJ的PCE达到15.5%,基于二元PM6:Y6 BHJ的PCE达到17.5%。与相应的倒置ITOOSC相比,它们分别具有23%和16%的吸引力。CPM通过强大的光学干涉和光散射效应同时增强了薄BHJ(B100 nm)的可见光和近红外光吸收,从而大大提高了OSC的Jsc值。同时,在自组装单层处理的OSC中确保了高电压和填充因子(FF)。值得注意的是,这些不含ITO的OSC表现出了所需的特性,即光伏性能的入射角依赖性较小,并且具有PM6:Y6共混物的器件代表了已报道的不含ITO的OSC中的最好的一种。总体而言,这项工作提供了制备高效OSC的有效策略。(文:SSC)
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