高效混合平面/体异质结有机太阳能电池

《Science China-Materials》：High-efficiency hybrid planar/bulk heterojunction organic solar cells

创新的三维异质结结构通过孔隙形成策略优化了有机太阳能电池的激子分离与电荷传输效率

　　

摘要

理想的有机太阳能电池（OSC）应同时具备较大的供体/受体（D/A）界面面积和垂直相分离结构。较大的界面面积有助于激子扩散并解离为自由电荷，而垂直相分离则能确保电荷在电极处的有效传输和收集。传统的体异质结（BHJs）虽然具有较大的D/A界面面积，但往往缺乏足够的垂直相分离。相反，准平面异质结（QPHJs）虽然实现了垂直相分离，但却牺牲了有限的D/A界面接触面积，这两者都阻碍了器件性能的优化。在这项研究中，我们提出了一种用于聚合物薄膜的原位孔形成策略。通过向供体层中添加过量的添加剂作为孔形成剂，可以生成具有纤维状纳米网络结构的纳米多孔薄膜。随后沉积受体分子，填充这些纳米孔，从而形成一种混合平面/体异质结（HP/BHJ），结合了准平面异质结和体异质结的优点。这种创新结构通过以下机制提升了性能：孔形成剂诱导的纳米孔显著增加了界面接触面积，形成了三维的D/A界面网络，加速了激子的解离；孔形成剂促进了分子链的紧密排列，减少了载流子的复合，建立了低缺陷的电荷传输通道，确保了高效的垂直电荷传输。此外，逐层沉积的方法还促进了垂直相分离，进一步提升了电荷传输效率。采用这种策略制备的二元有机太阳能电池实现了20.0%的显著光电转换效率（PCE），远超传统BHJ和QPHJ器件的效率。