有机光伏(OPV)是一种基于有机半导体的太阳能技术，在清洁能源的可扩展供应和太阳能可穿戴电子产品的开发方面显示出巨大的潜力。尽管有这些优势，有机太阳能电池仍会遭受所谓的复合损失，即光载流子复合导致的光电流损失。
香港城市大学、南京大学和全球其他大学的研究人员最近提出了一种新的设备工程策略，可以帮助抑制OPV中的重组损失。该策略在NatureEnergy上发表的一篇论文中介绍，需要使用顺序处理的平面混合异质结(PMHJ)架构。
“与硅等无机半导体相比，有机材料的介电常数较低，因此在有机物中产生被称为‘激子’的束缚电子-空穴对，而不是容易分离的自由载流子，”FrancisLin博士和Alex教授执行这项研究的两名研究人员Jen告诉TechXplore。
“为了克服这个问题，工程师们经常采用两种具有本质上不同电子亲和力的有机材料在OPV活性层中创建纳米级供体/受体网络。光生激子然后可以迁移到供体/受体界面以形成电荷转移状态并解离变成自由电子和空穴。”
研究表明，使用两种具有本质上不同的电子亲和力的有机材料有利于激子解离，但不能完全解决与有机太阳能电池相关的问题。事实上，如果自由载流子没有被电极有效地收集并在施主/受主界面再次相遇，它们会重新结合并形成所谓的低能自旋三重态激子(T1)。这种不可逆的过程限制了OPV的最大可实现功率转换效率(PCE)。
“该领域的研究人员想出了不同的方法来解决与T1相关的损失问题，但是，他们通常是从材料的角度出发，当材料特性发生变化时会产生新的问题，”Lin和Jen解释道。“在我们的工作中，我们建立了一种新策略，可以通过改变OPV有源层架构的基本工程来帮助解决这个问题。”
在他们之前的工作中，研究人员表明，可以显着改善顺序处理的OPV电池中的激子和电荷载流子的传输及其性能。随后，他们创建了基于D18的太阳能电池，D18是一种新的供体材料，其激子扩散长度(>30nm)比大多数报道的材料(15-25nm)更长。
“我们观察到顺序处理的平面混合异质结(PMHJ)电池的光电流始终高于那些传统的一步处理的本体异质结(BHJ)电池，”Lin和Jen解释道。“我们进一步发现，顺序处理的PMHJ可以降低T1浓度并减轻OPV中相关的重组损失。”
显示由OPV面板镜像的两个旋转器的图。其中一个旋转器类似于三重态并消耗充电器载流子，而另一个旋转器通过沿相反方向旋转(单重态)来生成变化载流子。图片来源：Jiang等人
在他们的新论文中，研究人员着手确定可以进一步提高OPV效率的设备工程策略、材料和处理协议。具体来说，他们在有机太阳能电池的活性层中引入了不同的纳米级形态，使用顺序处理的PMHJ架构，而不是单步处理的传统BHJ架构。
“我们采用具有更长激子扩散长度的最先进材料来制作PMHJ薄膜，其中供体和受体显示出比BHJ更大的畴尺寸和更明显的相分离，”Lin和Jen解释道。
“因此，我们的方法仍然可以保证有效的激子解离，而我们在PMHJ中的供体：与BHJ相比，受体界面更少，从而减少了自由载流子在这些界面处重组的机会。简而言之，我们将分离电子和空穴的机会限制在通过减少供体：受体界面在OPV中彼此重新相遇，因此它们有更多机会被电极收集以发电。”
研究人员使用他们的设计制造了一系列溶液处理的有机太阳能电池，然后在一系列实验中评估了它们的性能。他们发现他们的PMHJ太阳能电池实现了18-19%的高功率转换效率，超过了体异质结架构，后者的效率通常低于17%。
“我们的发现可能会改变人们对OPV中供体：受体界面的看法，”Lin和Jen说。“这些供体：受体界面对于OPV来说是必不可少的，但是，这些界面过多可能会对电池性能产生不利影响。我们的工作表明，我们应该进一步开发具有更长激子扩散长度的材料，以最大限度地减少OPV中的供体：受体界面”
这组研究人员率先证明，可以通过设备工程策略简单地改变由相同材料组成的设备中的T1浓度。在未来，他们的工作可能有助于在不破坏其光电压的情况下最大化OPV中的光电流，从而有可能克服OPV中光电压和光电压之间臭名昭著的权衡。
“我们期待很快在耗材市场上看到OPV产品，然后随着光伏建筑一体化的部署发展壮大，”Lin和Jen说。
此外，Lin、Jen和他们的同事收集的研究结果表明，有机材料中的T1特性与OPV光电压没有直接关系。因此，他们的观察也可能激发进一步研究，调查T1在OPV中的作用和光物理过程，这可能有助于发现更适合太阳能电池的有机半导体。
“到目前为止，我们已经在OPV中达到了相当高的效率，”Lin和Jen补充道。“下一步，我们应该提高OPV的稳定性并扩大材料和设备尺寸。我们的PMHJ电池中较大的区域尺寸和相分离规模可以从本质上阻止分子在热应力和光照下的扩散。此外，顺序处理为使用印刷技术优化大面积设备制造协议提供了更多空间。”