有机太阳能电池具有质轻、柔性、半透明、可溶液加工、低成本以及可大面积制备等优点,在可穿戴柔性电子设备、建筑一体化以及物联网设备等领域具有显著优势。通常对电离能偏移的研究都是基于体异质结有机太阳能电池来进行的,即供体和受体是大块体积内的混合,并没有一个明确的给受体界面,这会引起严重的能量弯曲,增加能量无序,所得到的电离能偏移不够精确,也不利于探索电离能偏移与器件光伏特性之间的关系。
针对以上问题,裸聊直播薄膜光伏团队采用双层结构,以PM6与BTP衍生物搭配探讨了电离能偏移对双层有机太阳能电池光伏性能的影响。经研究发现,越大的电离能偏移越有利于激子的有效解离产生自由电荷,同时减少双分子复合,提高器件的能量转换效率。此外,还结合了数值模拟发现能量转换效率主要受低迁移率载流子的限制,而与载流子类型无关。因此能量转换效率要达到20%,电离能偏移最低限度为0.3 eV,载流子迁移率须高于1×10-8 m2/Vs且双分子复合速率低于1.3×10-13 cm3/s。这些发现为设计高效双层有机太阳能电池提供了重要指导,强调了优化电离能偏移的重要性。

相关研究成果以“Optimizing the Ionization Energy Offset for Enhanced Photovoltaic Properties in Bilayer Organic Solar Cells”为题,发表在国际期刊《Physical Review Applied》上。该课题获得了“国家自然科学基金(面上项目)(62275057)-基于荧光共振能量转移的平面异质结有机光伏电池光电转换机理与性能研究”、“广西自然科学基金(杰出青年科学基金项目)(2023GXNSFFA026004)-有机光伏电池”、“广西自然科学基金(重点项目)(2022GXNSFDA035066)-基于BTP系列电子受体的有机光伏电池中Förster共振能量转移研究”、“广西天文与空间科学技术”人才小高地的大力支持。
论文作者:刘渊(2022级硕士生),赵晶晶(2023级博士生),Sein Chung,黄业晓,赵振民(2020级博士生),Jeonggye Lee,Hyukgu Yun,黄小鸽(2022级硕士生),Safakath Karuthedath,Kilwon Cho,阚志鹏(通讯作者)