硅有機(jī)異質(zhì)結(jié)雜化太陽(yáng)能電池結(jié)合了高性能晶體硅和低成本有機(jī)材料,有望替代傳統(tǒng)的硅太陽(yáng)能電池。PEDOT:PSS/n-Si是典型的硅有機(jī)雜化電池,研究者們通過(guò)硅表面結(jié)構(gòu)處理、溶劑處理以及界面修飾等方法成功將硅有機(jī)雜化太陽(yáng)電池的效率至16%,但是這與傳統(tǒng)的硅基太陽(yáng)能電池的效率(26%)仍然具有很大的差距。因此,需要更加深入地研究硅有機(jī)太陽(yáng)能電池來(lái)提高其性能。
近日,蘇州大學(xué)孫寶全課題組首次將非富勒烯共軛聚合物材料F-N2200應(yīng)用于硅有機(jī)雜化電池的背極,達(dá)到改善硅和鋁之間的接觸問(wèn)題,成功將電池效率從原來(lái)的12.6%提升到14.5%。通過(guò)結(jié)合密度泛函理論模擬,證實(shí)了在提升硅和有機(jī)材料間的接觸質(zhì)量中聚合物取向起到了重要作用。該研究以“Naphthalene Diimide-Based n?Type Polymers:Efficient Rear Interlayers for High-Performance Silicon?Organic Heterojunction Solar Cells ”為題發(fā)表在ACS Nano上。
圖1:器件結(jié)構(gòu)、J-V曲線和EQE曲線
(a).硅/有機(jī)太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)圖;
(b).器件在AM1.5G,100Mw cm-2條件下的J-V曲線;
(c).器件在無(wú)光照下的J-V曲線;
(d).有聚合物夾層和沒(méi)有聚合物夾層器件的EQE曲線對(duì)比。
圖2:兩種聚合物的分子結(jié)構(gòu)
(a).N2200和F-N2200聚合物的合成路徑,和分子結(jié)構(gòu);
(b).N2200聚合物生長(zhǎng)在硅上的2D-GIWAXS圖像;
(c).F-N2200聚合物生長(zhǎng)在硅上的2D-GIWAXS圖像;
(d).生長(zhǎng)在硅結(jié)構(gòu)上N2200的分子間平面堆積的原理圖;
(e).生長(zhǎng)在硅結(jié)構(gòu)上F-N2200的分子間平面堆積的原理圖。
圖3:兩種聚合物的密度泛函模擬圖
(a).生長(zhǎng)在硅上的N2200的三維密度泛函模擬圖;
(b).生長(zhǎng)在硅上的F-N2200的三維密度泛函模擬圖。
圖4:不同鋁電極面積(不同鋁電極直徑分別為1,0.8,0.5,0.3,0.2,0.1cm)的器件結(jié)構(gòu)圖和I-V曲線
(a).沒(méi)有有機(jī)夾層情況下,器件的結(jié)構(gòu)圖和不同鋁電極面積下的I-V曲線;
(b).硅鋁之間有N2200夾層,器件的結(jié)構(gòu)圖和不同鋁電極面積下的I-V曲線;
(c). 硅鋁之間有F-N2200夾層,器件的結(jié)構(gòu)圖和不同鋁電極面積下的I-V曲線。
圖5:Si、Si/N2200、Si/F-N2200的少數(shù)載流子壽命和SKPM
(a). Si、Si/N2200、Si/F-N2200的少數(shù)載流子壽命的映射圖,映射面積為1cm×1cm,注射水平約為2×1017cm-3;
(b).Si/F-N2200的表面電位差SKMP映射圖。
作者利用共軛聚合物F-N2200改善了硅-鋁電極的接觸問(wèn)題,成功地提高硅-有機(jī)雜化太陽(yáng)能電池效率,并且用密度泛函理論證實(shí)了聚合物取向在提升硅與有機(jī)物接觸質(zhì)量上起重要作用。
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