新技术有助于探测有机太阳能电池材料的性能

立即释放

Brendan O'Connor博士 btoconno@ncsu.edu 919.515.5282

马特希普曼 马特_shipman@ncsu.edu 919.515.6386

由北卡罗来纳州立大学领导的一个研究小组开发了一种新的技术来确定材料结构对有机太阳能电池效率的作用，这是低成本、下一代太阳能的候选。研究人员利用这项技术确定了在纳米尺度上具有高度有序结构的材料在产生自由电子方面并不比有序结构差的材料更有效，这一发现将有助于指导未来的研究和开发工作。

Brendan O'Connor博士说：“已经有很多关于有机太阳能电池效率的研究，但是能量转换过程涉及多个步骤，很难将每个步骤的效率分离出来。”，他是北卡罗来纳州机械工程系的助理教授，也是该学科论文的资深作者我们在新论文中讨论的技术使我们能够解开这些变量，并将重点放在一个特定的步骤——激子解离效率。”

一般来说，有机太阳能电池将光转化为电流有四个步骤。

首先，电池吸收阳光，从而激发电池活性层中的电子。每一个被激发的电子在活性层留下一个空穴。电子和空穴统称为激子。在第二步，称为扩散，激子跳来跳去，直到它遇到一个界面与另一个有机材料在活性层。当激子遇到这个界面，你得到第三步：解离。在解离过程中，激子分裂，释放出电子和相应的空穴。在第四步，叫做电荷收集，自由电子通过活性层到达一个可以收集的点。

在以前的有机太阳能电池研究中，人们对效率的差异是由于离解还是电荷收集还存在模糊性，因为没有明确的方法来区分单个薄膜中的两种。一种材料在将激子解离成自由电子方面效率低吗？或者这种材料只是让自由电子很难找到出路？

为了解决这些问题，研究人员开发了一种利用光的特殊特性的方法:如果光被偏振光使其“运行”平行于有机太阳能电池分子的长轴，它将被吸收;但是如果光垂直于分子，它就会穿过分子。

研究人员在有机太阳能电池的活性层的一部分内创建了高度有组织的纳米结构，这意味着该部分的分子都以相同的方式运行。它们使得细胞剩余的区域无序，这意味着分子向许多不同的方向移动。这种设计允许研究人员通过控制针对活性层的光的极性，使细胞的有组织区域有效地不可见。换句话说，研究人员可以只测试有组织的部分或无组织的部分——即使它们在同一个太阳能电池的同一活跃层。

因为这两个区域的电荷收集是相同的（因为它们在同一个活性层上），这项技术允许研究人员测量结构组织对材料离解效率的影响程度。

“我们发现分解效率和结构组织之间没有关系，”奥康纳说。“这真的是一个惊喜，它告诉我们，我们不需要高度有序的纳米结构来有效地产生自由电子。

“实际上，这项技术将有助于区分新开发材料的效率损失，有助于确定推进有机太阳能电池技术所需的材料和纳米结构特征。”

报纸上说有机太阳能电池的面内对准研究电荷复合的形态依赖性，于1月21日在线发表在《华尔街日报》上先进功能材料. 论文的主要作者是奥马尔·阿瓦塔尼博士。北卡罗来纳州的学生。国家标准研究所的作者包括迈克尔·库德诺克博士和约瑟夫·库德诺克博士。这项工作是由国家科学基金会资助的第1200340号资助。

-船夫-

编辑注意：研究摘要如下。

“有机太阳能电池的面内对准，以探测电荷复合的形态依赖性”

作者: Omar Awartani, Michael W. Kudenov和Brendan T. O 'Connor，北卡罗莱纳州立大学;约瑟夫·克莱恩，国家标准与技术研究所

出版：1月21日上线，先进功能材料

内政部：10.1002/adfm.201403377

摘要：利用在薄膜平面上排列的聚合物半导体制备了体异质结(BHJ)有机太阳能电池，以探测由不同程度的局域有序聚集体引起的电荷复合损失。对延性聚(3-己基噻吩):苯基- c61 -丁酸甲酯(P3HT:PCBM) BHJ薄膜施加100%的单轴应变，并用紫外-可见吸收光谱和掠入射x射线衍射表征其形貌。研究发现，应变薄膜导致高有序聚合物聚集体的强排列。聚合物聚集具有较低的有序和非晶态区域也排列，但具有更广泛的取向分布。然后在线偏振光下测试太阳能电池，光线被适当定向的聚合物选择性吸收，同时保持一个共同的局部环境以扫出光生载流子。结果表明，在异质结界面附近，无序BHJ薄膜可以避免电荷收集损失，且内部量子效率与P3HT局域聚集有序度无关。独特的是，这种实验方法允许在单一BHJ膜中选择性激发共轭聚合物的独特形态特征，为复合损失的形态起源提供了洞见。