可重復(fù)性是有機(jī)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(fù)性和時(shí)間重復(fù)性，即單個(gè)器件不同位點(diǎn)光電特性的差異性及不同批次器件的性能變化。有機(jī)光伏器件由于具有空穴、電子雙輸運(yùn)體異質(zhì)結(jié)滲透結(jié)構(gòu)，因而對載流子輸運(yùn)過程的可重復(fù)性有著很高的要求。然而，由于有機(jī)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(dǎo)體薄膜重復(fù)性及均勻性的主流技術(shù)（例如太赫茲時(shí)域光譜、微探針法、導(dǎo)電原子力顯微鏡等）難以有效地直接應(yīng)用于有機(jī)光伏體系當(dāng)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(fù)性分析表征方法，并將這一問題與分子設(shè)計(jì)和電池制備技術(shù)相關(guān)聯(lián)，對于有機(jī)光伏器件領(lǐng)域的發(fā)展具有重要意義。

 

山東大學(xué)郝曉濤、殷航課題組與天津大學(xué)葉龍課題組聯(lián)合報(bào)道了一種通過網(wǎng)格化電極衡量大面積有機(jī)光伏薄膜遷移率可重復(fù)性的實(shí)驗(yàn)方法，并基于此方法系統(tǒng)地研究了聚合物分子量對有機(jī)薄膜和器件重復(fù)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(yùn)重復(fù)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(xué)物理學(xué)院碩士研究生桂若華，研究工作同時(shí)得到了天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院劉洋等人的支持。

 

圖1  有機(jī)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(huì)促使薄膜遷移率升高，同時(shí)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(jìn)一步，研究人員通過瞬態(tài)吸收光譜以及時(shí)間分辨熒光測試研究了電荷動(dòng)力學(xué)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(shí)還具有更好的重復(fù)性。這項(xiàng)工作提出了一種表征大面積有機(jī)器件重復(fù)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(fù)性之間的聯(lián)系，為大面積器件的進(jìn)一步發(fā)展以及有機(jī)太陽能電池商業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)的最終目標(biāo)提供了一個(gè)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