【原】电子科大《EES》：迄今为止性能最好的无ITO有机太阳能电池！

近年来，有机太阳能电池（OSC）取得了突飞猛进的进步，功率转换效率（PCE）达到了17%，这在很大程度上得益于非富勒烯受体（NFA）和相关设备架构的发展。在过去的20年中，基于富勒烯的OSC的PCE达到了约12％13,14，这是因为在较长波长区域遇到了明显的能量损失（40.6 eV）和吸收不良。相反，基于NFA的OSC允许利用从可见光到近红外的宽范围太阳光子，并减少了能量损失，从而改善了设备的短路电流（J_sc）和开路电压（V_oc）。

到目前为止，大多数有效的NFA OSC仅在最佳厚度为B100 nm的体异质结（BHJ）层上才能很好地工作。在这种条件下，有效的OSC可以达到接近100％的内部量子效率。然而，这样的OSC仍然受到薄BHJ层（B100 nm）的光捕获不足的影响，吸收率和外部量子效率（EQE）不到80％，因此损害了它们可获得的效率。要获得高效的有机太阳能电池（OSC），则需要很好地平衡本体异质结（BHJ）混合物的电压损耗与光电流生成之间的关系。

 

来自电子科技大学等单位的研究人员通过结合新设计的柱状微腔（CPM）来开发高性能的不含ITO的OSC，从而有效地对薄近红外BHJ进行光学限制。借助于光干扰、图案化电极的光散射和局部表面等离子体激元，对于厚度接近100nm的薄BHJ而言，OSC的光电流密度（J_sc）值得到了很大的提高。此外，在经过自组装单层（SAM）处理的无ITO OSC中可确保高开路电压（V_oc）和填充因子（FF）。结果表面，对于三元PBDB-T-SF：ITIC-Th：IT-4F和二元PM6：Y6混合物，倒置架构中不含ITO的OSC的功率转换效率（PCE）分别达到了15.5％和17.5％。，但显示出较少的入射角依赖性的理想特征。总体而言，这些具有CPM的OSC不仅比相应的ITO器件具有显着的性能增强，而且代表了迄今为止性能最好的无ITO的OSC。相关论文以题为Highly efficient ITO-free organic solar cells with a column-patterned microcavity发表在Energy & Environmental Science。

论文链接：

https://pubs./en/Content/ArticleLanding/2021/EE/D0EE03387A

图1.这项工作中的分子和装置特性示意图。 

 

图2.ITO和基于平面微腔（MC）的OSC的光伏性能，不同比例的PBDB-T-SF：ITIC-Th：IT-4FBHJ层示意图。

 

图3.光吸收光谱的角度依赖性。（a）ITO，（b）MC和（c）基于CPM的设备。

 

图4.OSC的设备配置和光学分布示意图。

 

图5在不同架构中基于各种ITIC-Th：IT-4F非富勒烯受体的无ITO的OSC的器件特性示意图。（a）J–V特性。（b）EQE光谱。

 

图6.不含ITO的OSC的器件特性。

 

图7.基于具有不同架构的PM6：Y6 BHJ层的OSC的设备特性。

综上所述，通过结合柱状微腔结构，已开发出了高效的无ITO的OSC，而用于三元PBDB-TSF：ITIC-Th：IT-4F BHJ的PCE达到15.5％，基于二元PM6：Y6 BHJ的PCE达到17.5％。与相应的倒置ITOOSC相比，它们分别具有23％和16％的吸引力。CPM通过强大的光学干涉和光散射效应同时增强了薄BHJ（B100 nm）的可见光和近红外光吸收，从而大大提高了OSC的J_sc值。同时，在自组装单层处理的OSC中确保了高电压和填充因子（FF）。值得注意的是，这些不含ITO的OSC表现出了所需的特性，即光伏性能的入射角依赖性较小，并且具有PM6：Y6共混物的器件代表了已报道的不含ITO的OSC中的最好的一种。总体而言，这项工作提供了制备高效OSC的有效策略。（文：SSC）