科研进展

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郝晓涛团队在有机半导体光伏器件物理研究中取得新进展

发布日期:2024-03-05   点击量:

近日,我院有机光电子学团队在有机光伏器件光物理与载流子输运机制的研究中取得新进展,相关工作发表于Advanced Materials (影响因子: 29.4 ) 和《Materials Science and Engineering: R: Reports》(影响因子31.0)上。

为推动国家“双碳”战略目标,我国将加大可再生能源布局,构建清洁低碳、安全高效的能源体系,引领全球新能源技术。在新型能源体系中,太阳能利用(光伏)将成为发电的主力军之一,其中有机光伏材料与器件的研究在材料设计合成和器件工程等方面取得了快速进展。但是其产业化应用受到了效率偏低、稳定性较差等问题的制约,特别是对内在光物理与载流子输运机制缺乏理解是限制器件性能提高的关键科学问题。针对以上问题,有机光电子学团队揭示了有机光伏激子动力学与分子相互作用机制,为实现大厚度有机光伏器件应用奠定了重要实验基础;提出了有机光伏中精确迁移率测量方法,为材料设计和器件制造提供了重要参考。

有机太阳能电池(OSC)大规模商业化生产的一个主要障碍是活性层厚度的限制,大厚度OSC仍面临诸多挑战,包括有机材料较短的激子扩散长度、空间电荷积累和严重的载流子复合等因素,严重限制了器件性能的提升。郝晓涛教授团队提出聚合物吸附策略,在逐层沉积异质结中引入绝缘物聚苯乙烯形成范德华力物理吸附,增强了分子间相互作用和电子波函数交叠程度,抑制缺陷态密度,改善激子扩散,制备了高效大厚度有机太阳能电池器件。结合超快光谱学分析,揭示了激子动力学与分子相互作用的关联机制,为大厚度有机光伏物理机制研究提供了新的视角,为有机光伏器件的商业化应用提供了新策略。相关工作以“π-π Stacking Modulation via Polymer Adsorption for Elongated Exciton Diffusion in High-Efficiency Thick-Film Organic Solar Cells”为题发表在《Advanced Materials》上。论文第一作者为物理学院博士研究生付振,通讯作者为郝晓涛教授,山东大学为第一作者单位和唯一通讯作者单位。



在有机光伏领域,迁移率是评估光伏器件性能的重要物理量之一,因此准确提取迁移率具有重要意义。该团队针对传统空间电荷限制电流模型在提取迁移率过程中存在较大误差的问题,从漂移-扩散模型理论以及实验限制两方面阐述了误差存在的原因,提出了如何利用标准空间电荷限制电流提取迁移率的行为指南。系统地研究了载流子输运行为-薄膜缺陷-光伏分子构象间的内在联系。基于对载流子输运行为的认识,制备了高效大厚度全聚合有机太阳电池。该工作不仅提供了一种精确、直接的迁移率测量方法,而且为光伏材料设计和器件制造工艺的优化决策提供了载流子传输方面的重要依据。相关研究成果以“Extracting charge carrier mobility in organic solar cells through space-charge-limited current measurements”为题发表于《Materials Science and Engineering: R: Reports》。硕士研究生姜东成为论文第一作者,殷航教授为论文通讯作者,山东大学为第一单位和唯一通讯作者单位。

上述研究工作得到了国家自然科学基金、晶体材料国家重点实验室、山东省重大基础研究、山东省泰山学者、山东大学齐鲁学者计划等项目的资助。

论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202313532

https://doi.org/10.1016/j.mser.2024.100772




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