Wissenschaftler entdecken einen neuartigen photophysikalischen Mechanismus, der eine rekordverdächtige Effizienz für organische Photovoltaik erreicht hat

Die leistungsstärksten OPVs, die vom CityU-Team entwickelt wurden, haben einen PCE von über 19 % erreicht, und das Team geht davon aus, dass dieser Wert schon bald 20 % überschreiten wird. Die Entdeckung ist vielversprechend für die Kommerzialisierung von OPVs.

OPVs, eine auf organischen Halbleitern basierende Solarzellentechnologie, gelten aufgrund ihrer geringen Materialtoxizität und der enormen molekularen Einstellbarkeit in photoaktiven Materialien als vielversprechender Kandidat für saubere Energie. Derzeit verwenden die meisten organischen Hochleistungsphotovoltaikanlagen eine „Bulk-Heterojunction“-Struktur (BHJ), die aus Elektronendonor- und -akzeptormaterialien besteht, die in der gesamten aktiven Schicht des Geräts vermischt sind (siehe Abbildung 1).

Bei der Umwandlung von Sonnenlicht in Elektrizität in OPVs erzeugt die Energie des Sonnenlichts Exzitonen (ein negativ geladenes Elektron und ein positiv geladenes Loch, die miteinander verbunden sind), die dann an der nanoskaligen Donor-Akzeptor-Grenzfläche in freie Elektronen und Löcher dissoziieren und so Ladungsträger (Photostrom) erzeugen daher Elektrizität.

Wenn diese Ladungsträger jedoch nicht von den Elektroden gesammelt werden und an der Donor-Akzeptor-Grenzfläche wieder aufeinander treffen, können sie sich zu einem sogenannten niederenergetischen „Spin-Triplett-Exziton“ (T₁), der sich anschließend wieder in den Grundzustand entspannt, was zu einem Energieverlust in Form von Wärme und damit zu einem Photostromverlust führt. Dieser irreversible Prozess schränkt den maximal erreichbaren PCE von OPVs stark ein.

Ein Forschungsteam unter der Leitung von Professor Alex Jen Kwan-yue, Lee Shau Kee Chair Professor für Materialwissenschaften und Direktor des Hong Kong Institute for Clean Energy an der CityU, überwand dieses Hindernis, indem es eine neuartige Gerätetechnikstrategie zur Unterdrückung von T. erfand₁ Bildung und Minimierung des damit verbundenen Rekombinationsverlusts, was zur rekordverdächtigen Effizienz von OPVs führte.

„Wir sind das erste Team, dem es gelungen ist, T zu modulieren₁ „Bildung durch Gerätetechnik ohne Veränderung der Eigenschaften der photoaktiven Materialien und um den grundlegenden Mechanismus aufzudecken“, sagte Professor Jen. „Mit dieser Strategie haben wir sie auf 14 weitere Materialsysteme ausgeweitet, um die universelle Anwendbarkeit dieser Studie zu zeigen.“ „Ihre Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift veröffentlicht Naturenergieunter dem Titel „Suppressed Recombination Loss in Organic Photovoltaics Adopting a Planar-mixed Heterojunction Architecture.“

Durch den Ersatz der traditionellen hochdurchmischten Bulk-Heterojunction-Architektur (BHJ) innerhalb der Solarzelle durch eine eher entmischte „Planar-Mixed-Heterojunction“-Architektur (PMHJ), um die Donor-Akzeptor-Schnittstelle innerhalb der aktiven Schicht von OPVs zu reduzieren, gelang es dem Team gelang es, den Energieumwandlungsverlust in OPVs zu verringern, indem die Rekombination der Ladungsträger unterdrückt wurde. Diese Entdeckung maximierte den Photostrom von OPVs, was zu Geräten mit einem hohen PCE von über 19 % führte.

„Im Vergleich zur traditionellen Inter-Mixed-Bulk-Heterojunction-Architektur (BHJ) ist unsere eher entmischte Planar-Mixed-Heterojunction-Strategie (PMHJ) in der Lage, den Verlustweg zu unterdrücken, der durch Ladungstransferzustände an der Donor-Akzeptor-Grenzfläche vermittelt wird. „, erklärte Professor Jen. „Wir haben herausgefunden, dass weniger Donor-Akzeptor-Kontakte in einem planar-gemischten Heteroübergang die Wahrscheinlichkeit einer Rekombination minimieren und zu einer verringerten T führen₁ Konzentration. Dies ändert grundlegend den bisherigen Eindruck der Forscher von OPVs – dass die OPV-Leistung umso höher ist, je mehr Donor-Akzeptor-Kontakte vorhanden sind.

„Der aus unserer Strategie resultierende optimale Kompromiss zwischen Photospannung und Photostrom ermöglicht OPVs mit einer wettbewerbsfähigen Effizienz, die mit der anorganischen Photovoltaik vergleichbar ist“, fügte Dr. Francis Lin, Postdoktorand im Fachbereich Chemie, der ebenfalls an der Studie teilnahm, hinzu. Er erklärte, dass organische Photovoltaikzellen gegenüber anorganischen Gegenstücken mehrere Vorteile haben, wie zum Beispiel, dass sie leicht und flexibel sind, wie eine dünne Kunststofffolie, und eine kostengünstige Herstellung mittels Rolle-zu-Rolle-Druckproduktion ermöglichen.

Das Team ist davon überzeugt, dass seine neueste Entdeckung eine umfassende Grundlage dafür bietet, dass die zukünftige organische Photovoltaik ihr volles Potenzial entfalten und eine neue Welle von Studien zu den vielseitigen photophysikalischen Prozessen in organischen Halbleitern anregen kann.

Sie beantragen ein Patent für die Entdeckung. „Wir hoffen, die Leistung von OPVs nach unserer neuartigen Entdeckung der Modulation der photophysikalischen Prozesse weiter zu steigern. Dies definiert das maximale Potenzial von OPVs neu, um ihre Kommerzialisierung zu erleichtern“, sagte Professor Jen.

Professor Jen und Dr. Lin von der CityU sowie Professor Zhang Chunfeng von der Universität Nanjing sind die entsprechenden Autoren des Papiers. Zu den ersten Autoren gehört Herr Jiang Kui, Doktorand am Fachbereich Chemie der CityU, der als wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Gruppe von Professor Jen an der Forschung beteiligt war.

Die Forschung wurde von verschiedenen Finanzierungsquellen unterstützt, darunter der Lee Shau-Kee Endowed Chair Professur (Materialwissenschaft), CityU, der Innovation and Technology Commission of Hong Kong, dem Research Grants Council of Hong Kong und dem Guangdong Major Project of Basic and Applied Grundlagenforschung und das Guangdong-Hong Kong-Macao Joint Laboratory of Optoelectronic and Magnetic Functional Materials.