三元有机太阳能电池:效率17.22%

作者:光伏协会    浏览:1    发布时间:2020-3-17 11:58:45

近年来,三元策略在提高有机太阳能电池性能方面已展露出很大的潜力,成为有机光伏领域的研究热点。张福俊教授课题组长期专注于三元有机光伏器件物理方面的研究,提出了研究三元体系中激子和载流子动力学的新方法、新手段,以及理解合金模型的微观机制。近期,该课题组基于PM6:Y6:MF1体系成功制备出效率为17.22%的三元器件,在中国计量科学院的验证效率为16.8%。此工作已经以Articles形式发表在Science Bulletin上。

该工作系统研究了MF1掺杂比例对三元器件光伏参数的影响。随着MF1掺杂比例的增加,器件的短路电流先升高后降低;开路电压逐渐升高;填充因子先升高后降低再升高。器件短路电流的升高主要归因于有源层光子俘获和形貌的优化。逐渐增大的开路电压表明:MF1和Y6形成了类合金态,即分子间激发态能级简并,MF1和Y6良好的兼容性是形成类合金态的前提条件。作者利用Raman mapping,接触角和GIWAXS实验证明MF1和Y6具有较好的兼容性。从其Raman mapping的图像中,能够直观地观察到MF1在有源层中的分布情况。如图1c所示,蓝色,红色和黄绿色区域分别表示混合膜中的PM6,Y6和MF1。从三元Raman mapping的图像中能够观察到大多数黄绿色斑点嵌入到红色区域,表明在三元混合薄膜中MF1更倾向于与Y6混合形成类合金态。填充因子的变化主要归因于双受体材料较好的兼容性和不同的LUMO能级。由于MF1的LUMO能级高于Y6,当MF1在受体中的比例为10 wt%时,MF1和Y6上产生的电子能够沿着较低的混合LUMO能级传输。当MF1的含量增加到50 wt%时,有源层中会形成大量的电子陷阱,导致器件电子迁移率和填充因子的降低。当MF1的含量为10 wt%时,三元器件的效率达到最优17.22%,其短路电流为25.68 mA cm 2,开路电压为0.853 V,填充因子为78.61%。相较于PM6:Y6二元器件,最优三元器件的短路电流,开路电压和填充因子均得到了提升。

图1. (a) 器件结构示意图;(b)器件光伏参数随MF1掺杂比例的变化趋势;(c)混合薄膜的Raman mapping图像;(d) PM6, MF1 和Y6能级图;(e)有源层中电子和空穴迁移率;(f) 器件的J-V曲线。

表1 不同MF1掺杂比例的有机太阳能电池光伏参数

a)最优三元器件在中国计量科学研究院验证的光伏参数

该工作表明第三组分的作用除了增强有源层光子俘获外,还可优化激子的分布,给受体材料的相分离程度和分子排布方式,形成类合金态调控能级位置,进而同时提高器件的短路电流,开路电压和填充因子。该工作进一步证明:三元策略是一种有效提高器件性能的方法。