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efficient fullerene-free polymer solar cell

科学专栏

你知道 PFN 的氨基掺杂 IT-4F 会导致不利的电荷积累?

Significant influence of doping effect on photovoltaic performance of efficient fullerene-free polymer solar cells

第一作者:康倩

通讯作者:许博为

DOI: 10.1016/j.jechem.2019.08.005

本文亮点
  1. 首次发现PFN的氨基掺杂IT-4F导致不利的电荷积累,由于非富勒烯受体IT的电子传输能力差而形成致密的带电负性分子层-4F。
  2. 负电性分子层可以阻止电子从活性层到夹层的转移,并在活性层/阴极界面引起串联电荷复合。这种机制可以通过 ESR测量和纯电子设备进行验证。
  3. 通过用PFN-Br代替PFN,消除了阴极夹层与IT-4F之间的过度掺杂效应,从而大大提高了电荷的传输和收集。
  4. 结论,在不含富勒烯的PSC中实现了13.5%的高PCE。
前言

  2019年8月,Journal of Energy Chemistry 杂志发表了中科院化学所许博为副研究员掺杂效应对高效无富勒烯聚合物太阳能电池光伏性能显著影响。水/醇阴极夹层的改性机理是有机光伏领域最复杂的问题之一,目前尚未明确阐明;这极大地限制了聚合物太阳能电池PCE的进一步增强。在此,本文阐明了PFN及其衍生物的不同作用,即poly[(9,9-bis(3-((N,N-二甲基)-N-乙基铵)-丙基)-2,7-芴)- alt -2,7-(9,9-二辛基芴)] (PFN-Br) 用于改性不含富勒烯的 PSC。

背景介绍

  聚合物太阳能电池(PSC)采用共轭聚合物作为电子供体,采用富勒烯衍生物 (FD)或基于非富勒烯(NF)的分子作为电子受体,在过去几十年中取得了巨大进步 [1-4]。单结PSC的功率转换效率(PCE)已达到15%以上,显示出有机光伏技术实际应用的光明前景 [5,6]。典型的PSC器件具有多层堆栈结构,包括体异质结 (BHJ)活性层、阳极和阴极以及BHJ 和电极之间的夹层。

  目前,活性层材料发展迅速,相关的光电转换机制已被深入研究和理解[7-10]。与活性层材料相比,中间层的发展相对滞后。特别是,由于层间/活性层界面处的复杂能级结构,对电荷收集过程的理解仍然模糊[11-13]。事实上,界面工程已被证明是提高 PSC的PCE的有效方法。

图表解析
PSC devices F-PFN-Br, F-PFN, NF-PFN-Br and NF-PFN

图 2.

(a) PSC器件F-PFN-Br、F-PFN、NF-PFN-Br和NF-PFN的(a)电流密度-电压( J – V )特性和(b) EQE。(c)器件F-PFN-Br、F-PFN、NF-PFN-Br和NF-PFN的奈奎斯特图。(d)用于设备EIS拟合的等效电路模型。

Photovoltaic parameters of conventional structural devices

表 1.

基于 F-PFN-Br、F-PFN、NF-PFN-Br 和 NF-PFN 的常规结构器件在 AM 1.5 G、100 mW cm -2 的光照下的光伏参数。

Fitting results of the Nyquist plot of the device.

表 2.

器件奈奎斯特图的拟合结果。

ESR spectra of pure IT-4F, PFN-Br and PFN films.

图 4.

(a)纯 IT-4F、PFN-Br和PFN薄膜的ESR光谱。(b) IT-4F:PFN-Br 和 IT-4F:PFN混合物的ESR光谱。(c) PBDB-T-2F:IT-4F/PFN和(d) PBDB-T-2F:IT-4F/PFN-Br中的电子传输过程示意图。

The chemical structures of F-N and F-Br.

图 5.

(a) F-N和F-Br的化学结构。(b) J-V和(c)用小分子模型F-N和F-Br修改的 PSC器件的EQE曲线。(d) IT-4F:F-Br和IT-4F:F-N混合物的ESR光谱。

Semi-logarithmic current density and voltage characteristics

图 6. 纯电子器件的半对数电流密度与电压特性。

(a) A: ITO/ZnO/PC 71 BM/PFN/Al 和 B: ITO/ZnO/PC 71 BM/PFN-Br/ Al (b) C: ITO/ZnO/IT-4F/PFN/Al和D: ITO/ZnO/IT-4F/PFN-Br/Al (c) E: ITO/ZnO/IT-4F/FN/Al和F:ITO/ZnO/IT-4F/F-Br/Al。

小结

  本文证明了PFN 和 PFN-Br对修饰 PSC的不同影响,并深入研究了PFN 和 PFN-Br的工作机制。尽管PFN和PFN-Br中间层在基于富勒烯的PSC 中效果很好,但观察到使用PFN和PFN-Br中间层来修饰无富勒烯器件之间的显著对比。由于对过量电子的接受能力差,在NF受体IT-4F上的掺杂导致 IT-4F/PFN 界面附近未成对电子的积累,并形成了一层致密的负电分子,从而阻止了电子从活性分子的转移。层到夹层;这降低了器件的电荷收集效率。

  纯电子器件进一步验证了我们的推论,即PFN和IT-4F之间的过度掺杂阻碍了 PSC 器件中的电子收集。通过用PFN-Br代替PFN,大大提高了电荷收集效率,实现了13.5%的高PCE。这项工作的结果阐明了掺杂对基于富勒烯和不含富勒烯的PSC改性的不同影响,这为选择合适的界面材料以构建高效 PSC 提供了新的灵感。

文献讯息

Significant influence of doping effect on photovoltaic performance of efficient fullerene-free polymer solar cells

Qian Kang, Qi Wang, Cunbin An, Chang He, Bowei Xu, Jianhui Hou  

DOI: 10.1016/j.jechem.2019.08.005

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