可重復性是有機電子器件商業(yè)化和大規(guī)模普及所需要解決的關(guān)鍵問題之一，其主要包括空間重復性和時間重復性，即單個器件不同位點光電特性的差異性及不同批次器件的性能變化。有機光伏器件由于具有空穴、電子雙輸運體異質(zhì)結(jié)滲透結(jié)構(gòu)，因而對載流子輸運過程的可重復性有著很高的要求。然而，由于有機光伏體系中載流子遷移率通常處于10-6-10-3 cm2V-1s-1這一較低的范圍，且器件線度通常為厘米及以上量級，目前用于表征半導體薄膜重復性及均勻性的主流技術(shù)（例如太赫茲時域光譜、微探針法、導電原子力顯微鏡等）難以有效地直接應用于有機光伏體系當中。因此，開發(fā)一種適用于低載流子遷移率的大面積光伏薄膜的可重復性分析表征方法，并將這一問題與分子設(shè)計和電池制備技術(shù)相關(guān)聯(lián)，對于有機光伏器件領(lǐng)域的發(fā)展具有重要意義。

 

山東大學郝曉濤、殷航課題組與天津大學葉龍課題組聯(lián)合報道了一種通過網(wǎng)格化電極衡量大面積有機光伏薄膜遷移率可重復性的實驗方法，并基于此方法系統(tǒng)地研究了聚合物分子量對有機薄膜和器件重復性的影響。結(jié)果表明，具有較高分子量的聚合物器件具有更為良好的載流子輸運重復性，并兼具較高的平均空穴遷移率、較低的能量無序度以及較高的空穴轉(zhuǎn)移速率，從而表現(xiàn)出更優(yōu)秀的光伏器件性能。文章第一作者為山東大學物理學院碩士研究生桂若華，研究工作同時得到了天津大學材料科學與工程學院劉洋等人的支持。

 

圖1  有機光伏材料P3HT、PBDB-T及PM6薄膜空穴載流子遷移率分布圖。

 

研究人員分別采用三批不同分子量的P3HT, PBDB-T和PM6，研究了薄膜的空穴遷移率分布。聚合物分子量的提高會促使薄膜遷移率升高，同時使遷移率分布更加均勻。變溫空間電荷限制電流測試表明，基于高分子量聚合物薄膜具有更低的能量無序度，表明其具有更少的缺陷態(tài)以及更窄的帶尾態(tài)。進一步，研究人員通過瞬態(tài)吸收光譜以及時間分辨熒光測試研究了電荷動力學以及激子壽命，結(jié)果顯示在高分子量聚合物薄膜中存在更快的空穴轉(zhuǎn)移過程?；谝陨蟽?yōu)勢，具有高分子量聚合物的光伏器件表現(xiàn)出更高的短路電流、填充因子和功率轉(zhuǎn)換效率，同時還具有更好的重復性。這項工作提出了一種表征大面積有機器件重復性的簡便方法，并系統(tǒng)研究了聚合物分子量與器件可重復性之間的聯(lián)系，為大面積器件的進一步發(fā)展以及有機太陽能電池商業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)的最終目標提供了一個新視角。

 

 

Reproducibility in Time and Space — The Molecular Weight Effects of Polymeric Materials in Organic Photovoltaic Devices

Ruohua Gui, Yang Liu, Zhihao Chen, Tong Wang, Tao Chen, Rui Shi, Kangning Zhang, Wei Qin, Long Ye*, Xiaotao Hao*, Hang Yin*

Small Methods

DOI: 10.1002/smtd.202101548

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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smtd.202101548