有机太阳能电池(OSCs)具有成本低、环保、可加工等优点,在柔性和大面积应用方面具有巨大的应用潜力,近年来受到广泛关注。研究人员主要通过新材料合成、器件优化以及界面工程等提高OSCs的光电转换效率。其中,界面工程对提高有机太阳能电池的光伏性能具有重要作用。对于传统金属及其盐、纳米级金属氧化物和有机电解质等界面层,由于其结构特性,很难进行性质的微调以匹配不同的活性层体系。因此寻找新的修饰层来优化界面层显得尤为重要。无机量子点半导体材料由于其高导电性及可溶液处理而在光电器件中具有广泛的应用前景。特别是量子尺寸效应和限域效应有助于精确地调节物理性质,如带隙、吸收光谱和光致发光特性。近年来,量子点作为一种改性剂被越来越多地用于减少表面缺陷,优化接触,调节能级,提高电导率,从而提高太阳能电池性能。鉴于无机量子点种类繁多、性质可调,将无机量子点引入太阳能电池具有广阔的应用前景。
近日,中科院宁波材料技术与工程研究所葛子义团队采用十八烷基胺为表面配体的CdSe/ZnS (核/壳)无机量子点作为阴极界面修饰层,以PM6和IT-4F为活性层,PDINO为阴极界面层,同时提高了开路电压和短路电流密度,将功率转换效率从13.0%提高到14.6%。量子点合适的尺寸减少了光活性层的表面缺陷,优化了光活性层与阴极界面层之间的接触;量子点较大的偶极矩降低了阴极的功函数,提高了体系的内建电场,促进了电荷传输,抑制双分子复合,从而提高了转换效率。同时,作为经典的太阳能电池材料,量子点产生的激子也可以在IT-4F/QD界面上解离,从而提高器件的光子捕获能力。结果表明,量子点修饰的有机太阳能电池达到了14.6%的高效率。
为了探究光伏性能显著提高的机理,论文先后从形貌分析、电荷转移机理、激子解离与重组机制、电导率、电势等方法。总结了光伏性能显著提高的主要原因:适当尺寸的量子点可以有效减少光活性层表面的缺陷,优化光活性层与阴极界面层之间的接触;具有较大偶极矩的量子点降低了阴极的功函数,增强了内建电场,减少了电荷的复合,促进了电荷的转移;量子点额外吸收的太阳能在IT-4F与量子点界面上分解为载流子也有助于短路电流的增强;当无阴极界面(仅量子点修饰)时,器件的性能也有所提高。鉴于无机量子点的种类繁多,利用其作为界面修饰层开发高效有机太阳能电池具有广阔的发展前景。