高填充因子小分子太阳电池的光物理原理

有机小分子太阳电池（SM-OPVs）是一种基于单一分子单元给体和富勒烯/非富勒烯受体共混的有机体异质结型太阳电池。相比于聚合物给体材料，小分子易于纯化、可重复性高，并且可以降低能量/结构的无序度，因此被认为是一种颇有潜力的有机太阳电池技术。目前，制约有机小分子太阳电池性能的主要因素是其较低的填充因子（FF）和载流子迁移率（µ），因此探索制约填充因子的物理机制及其与迁移率之间的物理联系、以及寻找实现高填充因子的方法对于进一步提高小分子电池的性能至关重要。

图1. 有机太阳电池电荷生长复合物理过程（Onsager-Braun模型）

近期，华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室吴宏滨教授课题组深入分析了制约小分子太阳电池填充因子的物理机制（图1）。以有机小分子BIT-4F为主要研究对象，探究了溶剂退火对其填充因子的影响，研究发现溶剂退火可以很大程度上改变给受体的相分离尺寸和均匀性，进而影响其填充因子，在最优实验条件下实现了超过78%的填充因子，这是目前小分子电池的最高水平。瞬态光电压/光电流的研究发现孪生复合的降低是器件填充因子提高的最主要原因，该现象可以由经典的Onsager-Braun模型解释。进一步的Onsager-Braun模型研究指出，在实际的情况下很难保证选择性接触（selectivecontact），同时在载流子复合满足Langvein复合的情况下，实现最高填充因子需要一个最优的迁移率（5×10^-3cm² V^-1 s^-1），这可以作为今后材料/器件设计和优化的指导/参考性指标。

相关成果以《Optimized Phase Separation and ReducedGeminate Recombination in High Fill FactorSmall-Molecule Organic Solar Cells》为题，发表在ACS Energy Letters（ACS Energy Lett. 2017, 2, 14−21, DOI: 10.1021/acsenergylett.6b00556）上。作者为Jun Yan（颜骏）, Quanbin Liang（梁铨斌）, Kaikai Liu（刘凯凯）, Jingsheng Miao（缪景生）, Hui Chen（陈晖）, Sha Liu（刘莎）, Zhicai He（何志才）,Hongbin Wu（吴宏滨）,* Jinliang Wang（王金亮）,* and Yong Cao（曹镛）。相关工作得到了国家自然科学基金，北京市自然科学基金和中央高校基本科研业务费专项资金的资助。