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efficient fullerene-free polymer solar cell

科學專欄

你知道 PFN 的氨基摻雜 IT-4F 會導致不利的電荷積累嗎?

你知道 PFN 的氨基摻雜 IT-4F 會導致不利的電荷積累嗎?Significant influence of doping effect on photovoltaic performance of efficient fullerene-free polymer solar cells

第一作者:康倩

通訊作者:許博為

DOI: 10.1016/j.jechem.2019.08.005

本文亮點
  1. 首次發現PFN的氨基摻雜IT-4F導致不利的電荷積累,由於非富勒烯受體IT的電子傳輸能力差而形成緻密的帶電負性分子層-4F。
  2. 負電性分子層可以阻止電子從活性層到夾層的轉移,並在活性層/陰極界面引起串聯電荷複合。這種機制可以通過 ESR測量和純電子設備進行驗證。
  3. 通過用PFN-Br代替PFN,消除了陰極夾層與IT-4F之間的過度摻雜效應,從而大大提高了電荷的傳輸和收集。
  4. 結論,在不含富勒烯的PSC中實現了5%的高PCE。
前言

  2019年8月,Journal of Energy Chemistry雜誌發表了中科院化學所许博为副研究員摻雜效應對高效無富勒烯聚合物太陽能電池光伏性能顯著影響。水/醇陰極夾層的改性機理是有機光伏領域最複雜的問題之一,目前尚未明確闡明;這極大地限制了聚合物太陽能電池PCE的進一步增強。在此,本文闡明了PFN及其衍生物的不同作用,即poly[(9,9-bis(3-((N,N-二甲基)-N-乙基銨)-丙基)-2,7-芴)- alt -2,7-(9,9-二辛基芴)] (PFN-Br) 用於改性不含富勒烯的 PSC。

背景介紹

  聚合物太陽能電池(PSC)採用共軛聚合物作為電子供體,採用富勒烯衍生物 (FD)或基於非富勒烯(NF)的分子作為電子受體,在過去幾十年中取得了巨大進步 [1-4]。單結PSC的功率轉換效率(PCE)已達到15%以上,顯示出有機光伏技術實際應用的光明前景 [5,6]。典型的PSC器件具有多層堆疊結構,包括體異質結 (BHJ)活性層、陽極和陰極以及BHJ 和電極之間的夾層。

  目前,活性層材料發展迅速,相關的光電轉換機制已被深入研究和理解[7-10]。與活性層材料相比,中間層的發展相對滯後。特別是,由於層間/活性層界面處的複雜能級結構,對電荷收集過程的理解仍然模糊[11-13]。事實上,界面工程已被證明是提高 PSC的PCE的有效方法。

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

圖 2.

(a) PSC器件F-PFN-Br、F-PFN、NF-PFN-Br和NF-PFN的(a)電流密度-電壓( J – V )特性和(b) EQE。(c)器件F-PFN-Br、F-PFN、NF-PFN-Br和NF-PFN的奈奎斯特圖。(d)用於設備EIS擬合的等效電路模型。

Photovoltaic parameters of conventional structural devices

表 1.

基於 F-PFN-Br、F-PFN、NF-PFN-Br 和 NF-PFN 的常規結構器件在 AM 1.5 G、100 mW cm -2 的光照下的光伏參數。

Fitting results of the Nyquist plot of the device.

表 2.

器件奈奎斯特圖的擬合結果。

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

圖 4.

(a)純 IT-4F、PFN-Br和PFN薄膜的ESR光譜。(b) IT-4F:PFN-Br 和 IT-4F:PFN混合物的ESR光譜。(c) PBDB-T-2F:IT-4F/PFN和(d) PBDB-T-2F:IT-4F/PFN-Br中的電子傳輸過程示意圖。

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

圖 5.

(a) F-N和F-Br的化學結構。(b) J-V和(c)用小分子模型F-N和F-Br修改的 PSC器件的EQE曲線。(d) IT-4F:F-Br和IT-4F:F-N混合物的ESR光譜。

Semi-logarithmic current density and voltage characteristics

圖 6. 純電子器件的半對數電流密度與電壓特性。

(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。

小結

  本文證明了PFN 和 PFN-Br對修飾 PSC的不同影響,並深入研究了PFN 和 PFN-Br的工作機制。儘管PFN和PFN-Br中間層在基於富勒烯的PSC 中效果很好,但觀察到使用PFN和PFN-Br中間層來修飾無富勒烯器件之間的顯著對比。由於對過量電子的接受能力差,在NF受體IT-4F上的摻雜導致 IT-4F/PFN 界面附近未成對電子的積累,並形成了一層緻密的負電分子,從而阻止了電子從活性分子的轉移。層到夾層;這降低了器件的電荷收集效率。

  純電子器件進一步驗證了我們的推論,即PFN和IT-4F之間的過度摻雜阻礙了 PSC 器件中的電子收集。通過用PFN-Br代替PFN,大大提高了電荷收集效率,實現了13.5%的高PCE。這項工作的結果闡明了摻雜對基於富勒烯和不含富勒烯的PSC改性的不同影響,這為選擇合適的界面材料以構建高效 PSC 提供了新的靈感。

文獻訊息

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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