有机光伏电池中的电荷复合动力学研究进展

有机光伏电池相较于其他太阳能电池，其活性层的电荷复合率过高，导致电池工作时空穴-电荷分离程度不足，器件性能下降。近年来，新型有机光伏电池往往采用电子给体和受体两种材料组成活性层，可有效抑制电荷复合，同时，提高活性层的介电常数可有效增强其极化能力，有利于空穴与电荷的分离，但随之而来的是器件其他性能的下降。研究者始终在寻找一种新的活性层修饰手段，修饰前后器件性能差异不大，但活性层的介电常数有一定差距，从而可研究提高介电常数对电池中电荷复合动力学的影响。

基于此背景，近日，美国加州大学圣塔芭芭拉分校的 Thuc-Quyen Nguyen教授联合美国佐治亚理工学院的Seth R. Marder教授在国际权威刊物《Advanced Functional Materials》上发表了名为“Charge Recombination Dynamic in Organic Photovoltaic Systems with Enhanced Dielectric Constant”的论文。两位学者及其团队将富勒烯衍生物（PC60BM）及其三甘醇改性后的（TEG-PC60BM）作为活性层受体材料，聚己基噻吩（P3HT）和聚苯并噻吩衍生物（PTB7-Th）作为电子给体材料，组装了电池器件。结果表明，含有TEG-PCBM的活性层具有更高的介电常数，器件其他性能参数与含PC60BM相比变化不大，但填充因子（FF值）上升明显，对应于电荷复合率的下降。

如图1和表1所示，当使用相同的给体材料时，受体材料含三甘醇结构组成的活性层拥有更高的介电常数，此外，几种器件的基本性能参数，例如短路电流Jsc、开路电压Voc和功率转换效率PCE变化极小，但填充因子FF值却明显增加。 

图1. 电子给体：(A) P3HT；(B) PTB7-Th；电子受体：(C) PC60BM；(D) TEG- PC60BM的化学结构

表1. 含有不同活性层的有机光伏电池的性能

研究者进一步对不同光强度下的器件填充因子变化展开研究，如图2所示，引入介电常数更高活性层的器件FF值对光强度的依赖性大大下降，结合电荷复合动力学公式推导发现，这样的结果对应于活性层中双分子电荷复合过程向单分子转变，整体效果体现为电荷复合被抑制，FF值提高，理论上器件性能将会有一定的提升。该研究有望在未来通过调控活性层介电常数的高低实现有机光伏电池整体性能的调控。

图2. 器件的填充因子随光强度变化曲线