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。

为了实际使用，由电子供体聚合物和电子受体聚合物组成的全聚合物混合太阳能电池需要进一步提高能量转化效率。因此，有必要通过使用光活性层的厚膜来提高收集效率并改善短路电流密度（JSC）。但是，众所周知，在全聚合物混合太阳能电池中，JSC和FF之间存在权衡关系，即使在较厚的膜状态下保持高FF也是实现高效设备的最重要的事情。因此，在这项研究中，我们全面研究了曲线因子的薄膜厚度依赖性在所有聚合物混合太阳能电池的膜厚度中使用晶体偶联的聚合物以不同的侧链作为电子供体材料从电荷恢复和电荷重组动力学的角度来看。首先，进行了过度的光伏/光电流测量，以评估双分子重组（ζ）的抑制剂，并发现在本研究中使用的所有混合膜中都抑制了双分子重组。此外，为了研究双分子重组对FF的影响，使用电荷回收率（CE）测量结果通过分析重现J-V曲线。结果，由于膜增厚而引起的FF的减少很小，在设备中，在实际测量曲线和分析曲线之间观察到了良好的一致性，发现双分子重组是FF减少的主要因素。相比之下，在膜增厚的FF显着下降的设备中，分析曲线从实际的测量曲线转移，并且可以通过为从CE测量获得的电荷密度添加恒定值来重现结果。换句话说，人们认为在这些设备中，由于重组与隔离电荷相结合而减少了FF，而CE测量无法观察到。最后，为了检查获得高FF的关键因素，我们进行了有关电荷寿命和电荷恢复的定量讨论，并发现在运输过程中的损失对于即使在厚膜中保持高FF的设备也可以忽略不计。这被认为是由于高电荷迁移率以及对双分子重组的抑制作用。