近年來，室內(nèi)電子設(shè)備的日益普及激發(fā)了對半永久性室內(nèi)發(fā)電系統(tǒng)的需求。光伏是適合用于室內(nèi)能量收集的重要技術(shù)之一。有機(jī)光伏器件具有獨(dú)特的光學(xué)特性（如高吸收系數(shù)，帶隙可調(diào)）和其他特征（柔性，半透明），能很好地匹配以低光強(qiáng)、不同的輸出光譜和美觀為特征的室內(nèi)光條件/環(huán)境。發(fā)展和研究弱光光伏器件必須準(zhǔn)確測量器件性能參數(shù)，主要包括能量轉(zhuǎn)換效率（PCE），短路電流（Jsc），開路電壓（Voc)，填充因子（FF）。然而，盡管有機(jī)光伏器件在標(biāo)準(zhǔn)光照下可以準(zhǔn)確測得Jsc，在弱光下測試的Jsc卻常常存在嚴(yán)重高估的現(xiàn)象。該現(xiàn)象從未被關(guān)注，導(dǎo)致對弱光器件性能的評估和工作機(jī)制的分析出現(xiàn)了嚴(yán)重錯誤。

 

西安交通大學(xué)金屬材料強(qiáng)度國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室趙超博士和馬偉教授分析認(rèn)為，決定電學(xué)邊緣貢獻(xiàn)的關(guān)鍵物理參數(shù)是電壓分布而不是電阻。隨著光照強(qiáng)度降低，光電流減小，器件邊緣的電壓分布變寬，有效邊緣面積增大，導(dǎo)致器件的有效面積增大，造成弱光下Jsc高估?；谏鲜龇治?，研究團(tuán)隊(duì)提出等效電路模型，以研究光照強(qiáng)度和器件表面電阻對電學(xué)邊緣效應(yīng)的影響。計算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)界面電阻為1MΩ/sq時，在標(biāo)準(zhǔn)光照下（1 sun），邊緣效應(yīng)很小；然而，在低光照下（0.01 sun），邊緣效應(yīng)將導(dǎo)致Jsc高估>70%，PCE高估>22%。該機(jī)制適用于所有類型的光伏器件，包括有機(jī)太陽能電池，鈣鈦礦太陽能電池，染料敏化太陽能電池。此外，電學(xué)邊緣效應(yīng)通常被認(rèn)為只發(fā)生在具有導(dǎo)電層的器件中，本研究揭示非導(dǎo)電層的界面摻雜也能造成明顯的電學(xué)邊緣效應(yīng)：在0.01 sun光照下，Jsc高估51%，PCE高估15%。相比導(dǎo)電界面層，界面摻雜引起邊緣效應(yīng)從未被關(guān)注，也極易被忽視。進(jìn)一步地，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)隨著表面粗糙度的增大，界面電阻減小，導(dǎo)致更強(qiáng)的邊緣效應(yīng)?；谝陨辖Y(jié)果，研究團(tuán)隊(duì)提出增加器件的有效面積、降低表面粗糙度、使用掩膜、設(shè)計無邊緣器件結(jié)構(gòu)，以避免電學(xué)邊緣效應(yīng)導(dǎo)致Jsc高估和PCE高估。該工作為電學(xué)邊緣效應(yīng)的內(nèi)在機(jī)制及其對器件性能評估的影響提供了新見解，有利于促進(jìn)室內(nèi)光伏器件研究領(lǐng)域的健康發(fā)展。

 

該研究成果以《弱光器件中電學(xué)邊緣效應(yīng)導(dǎo)致光電流高估》(Electrical edge effect induced photocurrent overestimation in low-light organic photovoltaics)為題發(fā)表于《焦耳》(Joule)上。西安交大材料學(xué)院博士生周曉波為第一作者。西安交大金屬強(qiáng)度國重室趙超博士、馬偉教授、華盛頓州立大學(xué)Brian A. Collins教授為共同通訊作者。西安交大金屬強(qiáng)度國重室為第一通訊單位。該工作的合作者還包括西安交大金屬強(qiáng)度國重室周科副教授和東華大學(xué)先進(jìn)低維材料中心馬在飛教授。

 

論文鏈接：https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(22)00282-3

 

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(來源：西安交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院)