異質結分子摻雜有機太陽能電池工作機理闡明

記者27日從西安交通大學獲悉，該校金屬材料強度國家重點實驗室有機光電子材料及界面課題組提出了分子摻雜有機光伏器件中的活性層優化模型，揭示了摻雜劑在其中的作用機理並提出了一種可控的高效摻雜器件制備工藝。其相關研究成果以《異質結分子摻雜高效激子解離及長載流子壽命提升聚合物太陽能電池量子效率》為題，近日發表在美國化學會能源類旗艦期刊《美國化學會能源快報》上。

有機太陽能電池的光生電荷過程包括光子吸收、激子解離、電荷傳輸與電荷收集四個基本步驟。目前針對這一光電轉化過程仍然缺少有效、直接的電學性能優化手段。分子摻雜劑作為一種第三組分，其在體相異質結中的分布，會直接影響摻雜效果並決定器件性能﹔不匹配的摻雜劑分布會導致摻雜的“零效應”和“負效應”。然而，目前的研究並未明確分子摻雜劑在本體異質結中的優化分布，從而使得分子摻雜有機光伏器件性能優化缺少調控目標與實現途徑。

為解決這一關鍵科學問題，西安交通大學金屬材料強度國家重點實驗室有機光電子材料及界面課題組化繁為簡地設計制備了平面異質結模型器件﹔從而准確調控了摻雜劑在電子給體、電子受體及異質結處的分布。科研人員利用前期工作中提出的路易斯酸小分子三（五氟苯基）硼烷作為P型摻雜劑，發現摻雜劑在給—受體異質結處的分布是實現器件外量子效率提升的關鍵。借助超快光譜、瞬態光電壓及光電子能譜等分析手段，科研人員進一步發現異質結摻雜具有促進激子分離、延長載流子壽命並降低載流子傳輸復合的作用。科研人員進一步利用順序涂布的三層成膜方法，成功實現了摻雜劑在本體異質結中的分布調控﹔在高效非富勒烯有機光伏體系中成功實現了短路電流的提升。