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  隨著物聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，人們對(duì)室內(nèi)電子設(shè)備的需求與日俱增，這也刺激了室內(nèi)光伏電池作為離網(wǎng)能源的研究。有機(jī)光伏電池由于其吸收光譜能夠很好地與室內(nèi)光源的輻射光譜相匹配，因此在室內(nèi)環(huán)境下具有很好的應(yīng)用前景。然而，在低光強(qiáng)的室內(nèi)光源下，有機(jī)光伏器件的短路電流密度較低，從而制約了器件的光電轉(zhuǎn)換效率。增加活性層厚度可以提高光子的捕獲，從而有效地提高器件的電流密度。然而，缺陷態(tài)作為引起室內(nèi)光伏器件中電荷復(fù)合的主要因素，極大地限制了厚膜室內(nèi)光伏器件中的光電流產(chǎn)生和光電轉(zhuǎn)換效率的提高。因此，如何抑制缺陷態(tài)的產(chǎn)生是一個(gè)亟需解決的問(wèn)題。

  近日，山東大學(xué)郝曉濤教授/殷航教授及團(tuán)隊(duì)成員與河南師范大學(xué)合作發(fā)現(xiàn)利用5%的絕緣聚合物聚苯乙烯（PS）稀釋全聚合物體系PBDB-T:N2200的方法制備了填充因子超過(guò)67%的1微米厚室內(nèi)有機(jī)光伏電池。研究發(fā)現(xiàn)，稀釋策略減小了厚膜內(nèi)的缺陷態(tài)密度，改善了電荷轉(zhuǎn)移、傳輸過(guò)程，從而極大地提高了一微米厚室內(nèi)光伏器件的光電流，為實(shí)現(xiàn)高效率大厚度室內(nèi)光伏器件提供了有效可行的途徑。

  在發(fā)光二極管（LED）光源（1200，1000，500 lux）下，隨著活性層厚度增加到1微米，電荷復(fù)合逐漸加劇了超厚器件中的光電流損失，PBDB-T:N2200二元光伏器件的短路電流和效率因此開(kāi)始降低。PS稀釋策略有效地提高了超厚器件中的短路電流，光伏效率也因此隨著厚度的增加而增加（圖1）。其中，1微米厚的稀釋器件在1200 lux的LED光源照射下得到了67.01%的填充因子和的17.06%的光伏效率。

圖1  5% PS稀釋前后的有機(jī)光伏器件在不同光源和不同厚度下的器件性能，以及在一微米活性層厚度下的外量子效率。

  團(tuán)隊(duì)結(jié)合阻抗譜的測(cè)試以及擬合計(jì)算，發(fā)現(xiàn)5% PS稀釋的光伏體系表現(xiàn)出較二元器件更低的缺陷態(tài)密度。通過(guò)時(shí)間分辨熒光光譜技術(shù)，發(fā)現(xiàn)稀釋策略將激子壽命從未稀釋情況下的78.18 ps提高到了138.33 ps，相應(yīng)的1微米厚器件也展現(xiàn)出更高的解離率（79.71%）。該結(jié)果表明缺陷態(tài)密度的降低會(huì)促進(jìn)體異質(zhì)結(jié)內(nèi)光生載流子的產(chǎn)生。

圖2  5% PS稀釋前后有機(jī)光伏器件的缺陷態(tài)密度及激子壽命測(cè)試，其中N_t和t分別表示缺陷態(tài)密度和激子壽命。

  同時(shí)，結(jié)合瞬態(tài)吸收光譜技術(shù)，發(fā)現(xiàn)PS的稀釋加快了疇內(nèi)分子間極化子對(duì)的拆分，從而提高了空穴轉(zhuǎn)移速率（如圖3）。另外，電荷傳輸方面的研究表明，5% PS的稀釋不僅提高了超厚器件中的電荷遷移率，同時(shí)抑制了缺陷態(tài)主導(dǎo)的電荷復(fù)合，使得載流子能夠在超厚的活性層中傳輸更長(zhǎng)的距離而不容易發(fā)生復(fù)合。因此，在5% PS稀釋的光伏體系中，電荷轉(zhuǎn)移、傳輸?shù)募涌煲约叭毕輵B(tài)復(fù)合的降低提高了1微米活性層內(nèi)光電流密度。該研究證明了稀釋策略能夠有效地抑制體異質(zhì)結(jié)內(nèi)的缺陷態(tài)，同時(shí)為大厚度高效室內(nèi)光伏電池的制備提供了新穎的角度。

圖3 5% PS稀釋前后光伏體系的二維瞬態(tài)吸收光譜測(cè)試，以及在500 nm和640 nm處探測(cè)到的動(dòng)力學(xué)曲線。

  該研究以O(shè)ne-micron-thick organic indoor light harvesters with low photocurrent loss and fill factors over 67%為題，發(fā)表在Journal of Materials Chemistry A上。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1039/D1TA02345D