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高性能有机半导体器件的界面设计准则

太阳能光伏是一种将太阳能(阳光)转换为直流电能的技术。高效的光电转换是由电子(或能量)在薄膜器件中各个界面有效的传导而实现的。在薄膜光电器件的技术中,有机太阳能电池在下一代薄膜太阳能光伏技术中的一种具有潜力且低成本的选择。然而,与硅等无机材料制成的传统电子器件中良好的界面传输不同的是,有机材料的界面存在一定的无序性,这极大地限制了光电转换效率。为了解决这一问题,研究人员需要深入理解材料在能量转换中的光物理机理。在有机太阳能电池工作时,光电流的产生经由三个基本光物理过程组成(如图a):a, 光激发有机吸收材料从而产生电子 – 空穴对(激子),随后激子迁移到一个donor-acceptor界面; b,这些激子在界面形成电荷转移态(CT态);接着c,电荷转移态被分离随后;d, 电荷被电极收集到外电路形成电流。每个步都是以速率为主导的过程,这其中电子-空穴复合速率的相互作用决定了整体电池的转换效率。具体的说,激子和CT态分离率与复合率的竞争决定了器件的最终输出功率。因此,控制和操纵这些速率是实现最高转换效率的关键。

高性能有机半导体器件的界面设计准则

来自美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的研究团队(Light-to-Energy Team)发现了一种有效的方法来控制和操纵CT 态的电子-空穴复合速率,从而实现donor/acceptor界面的有效电子传输。他们发现,通过使用单层的功能性材料来修饰界面,可以有效的减少电子和空穴通过CT态的复合率。当他们把这些材料作为隔离层放在双层结构的太阳能电池界面上时(如图b),光电流增加了2〜5倍(增加的倍数取决于隔离层的功能)。他们进一步证明,这种方法不仅可以在太阳能电池中有效的使用,还在发光二极管中也有类似效果。因此得出结论,这一实验设计可以深入推广到其他薄膜光电器件的界面中,作为提高界面电荷或能量传输的统一设计理念。通过利用间隔分子在体异质结太阳能电池(图c)中,实验结果证明太阳能电池的效率可以从4%提高到7%(图d) 。他们的研究结果发表在Advanced Science 期刊上。(DOI:10.1002 / advs.201500024)

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高性能有机半导体器件的界面设计准则

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