Molekylær spredning forbedrer kvasi-dobbeltlags organiske solceller

I de sidste par år, organiske solceller (OSC'er) baseret på ikke-fulleren (NF) acceptorer har vist enorme fremskridt med hensyn til effektkonverteringseffektivitet (PCE). Størstedelen af ​​de nyeste OSC'er i laboratoriet er baseret på den såkaldte bulk heterojunction (BHJ) arkitektur bestående af et fotoaktivt lag i blanding af en elektrondonor og acceptor. Tilstedeværelsen af ​​adskillige mikroskopiske pn-forbindelser i BHJ'er muliggør tilstrækkelige overfladearealer, hvor ladningsadskillelse forekommer, så fotostrømmen og PCE øges. Enhedens egenskaber i BHJ-OSC'er er kritisk påvirket af nanostrukturen eller morfologien af ​​BHJ-film, med interpenetrerende og kontinuerlige netværk med domænestørrelser, der ideelt set kan sammenlignes med exciton-diffusionslængden.

I sammenligning med BHJ'er, sekventiel filmaflejring for at danne plane heterojunctions (PHJ) er attraktiv, fordi morfologien af ​​donor- og acceptorkomponenter kan kontrolleres mere uafhængigt. Den store lodrette faseseparation, der naturligt forekommer i PHJ'er, letter ekstraktionen af ​​fotogenererede bærere mod de to elektroder. Det begrænsede område af donor/acceptor-grænseflader (D/A) har kritisk hæmmet solcellernes effektivitet i PHJ-OSC'er. Med strenge ortogonale behandlingsopløsningsmidler eller termisk aflejring (af det andet lag) af donor- og acceptorfilmene, de resulterende enheder underperformer ofte dem med BHJ-strukturer, på grund af dårlig exciton -dissociation. Af denne grund, interdiffusionerne af acceptorer i donorfasen er blevet påført med opløsningsmiddelteknologi for at øge D/A-grænsefladearealet, hvilket resulterer i øget kortslutningsstrøm (Jsc) i PHJ-OSC'er.

For ganske nylig, baseret på den polymere donor PBDBT-2F og NF-acceptor Y6, forskere foreslog en strategi til at forbedre den fotovoltaiske ydeevne og den termiske stabilitet for sekventielt deponerede PHJ-OSC'er ved at sprede donorkomponenterne i den acceptordominante fase. Ved denne metode, de opnår en rekord-PCE på 15,4% i de PBDBT-2F/Y6-baserede PHJ-solceller, nå en af ​​de højeste værdier rapporteret på PHJ-OSC'er med sekventiel filmcasting. I øvrigt, ladningstransportbalancen i PHJ-enhederne forbedres positivt med inkorporeringen af ​​donorer i den Y6-dominante fase. Disse ændringer undertrykker bimolekylær rekombination og fremskynder opladning af ladning. I et morfologisk synspunkt, den gunstige intermolekylære π-π staking i Y6 påvirkes næppe ved fortyndede koncentrationer af donordispersioner, hvilken, på den anden side, modificerer den fotofysiske proces i PHJ-solceller. Af betydning, med den beskrevne donorspredning, PHJ-filmene udviser øget morfologisk robusthed i forbindelse med mindre negative effekter på ladningsudsvinget i solceller under termiske forhold. Som resultat, en bedre termisk stabilitet i PHJ-enhederne med donordispersioner er opnået, med hensyn til BHJ-solceller.