Phase Separation Structures and Bimolecular Recombination in All Polymer Solar Cells

全聚合物太阳能电池中的相分离结构和双分子复合

基本信息

批准号：
22K14726
负责人：
KIM HYUNGDO
金额：
$ 3万
依托单位：
Kyoto University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

電子ドナー性ポリマーと電子アクセプター性性ポリマーからなる全高分子ブレンド太陽電池は、実用化のために、さらなるエネルギー変換効率の向上が求められる。そのために、光活性層を厚膜することで光捕集効率を増加させ、短絡電流密度(JSC)を向上させる必要がある。しかし、全高分子ブレンド太陽電池ではJSCとFFの間にトレードオフ関係が存在することが知られており、厚膜状態でも高いFFを維持することが、高効率な素子の実現にあたって最も重要である。そこで本研究では、電子ドナー材料として側鎖の異なる結晶性共役高分子を用いた全高分子ブレンド太陽電池について曲線因子の膜厚依存性が異なる原因を電荷回収ならびに電荷再結合ダイナミクスの観点から包括的に検討を行った。まず、過度光起電力/光電流測定を行い、二分子再結合の抑制因子（ζ）を評価したところ、本研究で使用されたブレンド膜はいずれも二分子再結合が抑えられていることが分かった。さらに、二分子再結合がFFへ及ぼす影響を検討するため、電荷回収（CE）測定の結果を用いた解析によりJ-V曲線を再現を行った。その結果、厚膜化によるFFの低下がわずかで素子では、実測曲線と解析曲線の間には良好な一致が見られ、二分子再結合がFF低下の主な要因となることが分かった。これに対して、厚膜化に伴い顕著なFFの低下が見られる素子では解析曲線が実測曲線よりずれており、CE測定から得た電荷密度に一定値の電荷密度を加えることで再現することができた。つまり、これらの素子においてはCE測定では観測できない孤立電荷との再結合によりFFが低下していると考えられる。最後に、高いFFの実現の鍵となる要因を検討するために電荷寿命と電荷回収の定量議論を行った結果、厚膜でも高いFFを維持する素子では輸送過程での損失が無視できることが分かった。これは二分子再結合の抑制とともに高い電荷移動度に起因していると考えられる。

在实际应用中，需要由电子供体聚合物和电子受体聚合物组成的全聚合物共混太阳能电池以进一步提高能量转换效率。为此，需要通过增加光活性层的厚度来提高光收集效率并提高短路电流密度（JSC）。然而，众所周知，在全聚合物共混太阳能电池中，JSC和FF之间存在权衡关系，即使在厚膜状态下保持高FF对于实现高效器件来说也是最重要的。因此，在本研究中，我们从电荷恢复和电荷复合动力学的角度，全面研究了使用不同侧链的结晶共轭聚合物作为电子给体材料的全聚合物共混太阳能电池的填充因子的膜厚度依赖性差异的原因。我们进行了以下研究。首先，我们进行了瞬态光伏力/光电流测量来评估双分子重组的抑制因子（ζ），发现本研究中使用的所有共混薄膜都抑制了双分子重组。此外，为了检查双分子重组对 FF 的影响，我们使用电荷恢复 (CE) 测量结果进行分析，重现了 J-V 曲线。结果，在由于薄膜增厚而FF仅略有下降的器件中，测量曲线与标准曲线之间具有良好的一致性，表明双分子重组是FF下降的主要原因。另一方面，对于随着膜厚度的增加而观察到 FF 显着降低的器件，校准曲线偏离实际测量曲线，并且可以通过在由 CE 获得的电荷密度上添加电荷密度的恒定值来再现这一点测量完成。换句话说，在这些器件中，人们认为 FF 由于与 CE 测量中无法观察到的孤立电荷的复合而降低。最后，为了研究实现高FF的关键因素，我们对电荷寿命和电荷恢复进行了定量讨论，发现即使在厚膜下也能保持高FF的器件中，传输过程中的损耗可以忽略不计。这被认为是由于高电荷迁移率以及双分子复合的抑制。