CityU-Wissenschaftler erspähen verschmelzen neuartigen photophysikalischen Zusammenhang, dieser eine rekordverdächtige Eta zum Besten von die organische Photovoltaik erreicht hat

Organische Photovoltaik (OPVs) ist eine vielversprechende, wirtschaftliche Solarzellentechnologie dieser nächsten Generation zum Besten von skalierbare saubere Leistung und tragbare Elektronik. Hingegen dieser Energieumwandlungsverlust aufgrund dieser Rekombination von photogenerierten Ladungsträgern in OPVs hat eine weitere Verbesserung ihrer Leistungsumwandlungseffizienz (PCE) eingeschränkt. Kürzlich überwanden Forscher dieser City University of Hong Kong (CityU) dieses Hindernis, während sie eine neuartige Geräteentwicklungsstrategie erfanden, um den Energieumwandlungsverlust triumphierend zu unterdrücken, welches zu einer rekordverdächtigen Eta führte.

Die leistungsstärksten OPVs, die vom CityU-Team entwickelt wurden, nach sich ziehen eine PCE von droben 19 % erreicht, und dasjenige Team erwartet, dass sie sehr in Kürze 20 % drübersteigen werden. Die Feststellung ist vielversprechend zum Besten von die Vermarktung von OPVs.

OPVs, eine hinauf organischen Halbleitern basierende Solarzellentechnologie, gelten aufgrund ihrer geringen Materialtoxizität und ihrer enormen molekularen Verstellbarkeit in photoaktiven Materialien denn vielversprechender Kandidat zum Besten von saubere Leistung. Derzeit verwenden die meisten organischen Hochleistungs-Photovoltaiksysteme eine „Bulk-Heterojunction“ (BHJ)-Struktur, die aus Elektronendonator- und -akzeptormaterialien besteht, die in dieser gesamten aktiven Schicht des Geräts vermischt sind (siehe Gepräge 1).

Für dieser Umwandlung von Sonnenlicht in Strom in OPVs erzeugt Leistung aus Sonnenlicht Exzitonen (ein negativ geladenes Elektronenwelle und ein positiv geladenes Loch, die aneinander gebunden sind), die dann an dieser Donor-Akzeptor-Grenzfläche im Nanomaßstab in freie Elektronen und Löcher dissoziieren und Ladungsträger (Photostrom) erzeugen von dort Strom.

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

Ein Forschungsteam unter dieser Rohrfernleitung von Professor Alex Jen Kwan-yue, Lee Shau Kee Chair Professor of Materials Science und Rektor des Hong Kong Institute for Clean Energy an dieser CityU, überwand dieses Hindernis, während es eine neuartige Strategie zur Gerätetechnik erfand, um die T1-Eröffnung zu unterdrücken und zu minimieren dieser damit verbundene Rekombinationsverlust, dieser zur rekordverdächtigen Eta von OPVs führte.

„Wir sind dasjenige erste Team, dem es gelungen ist, die T1-Eröffnung durch Gerätetechnik zu modulieren, ohne die Eigenschaften dieser photoaktiven Materialien zu verändern, und den grundlegenden Zusammenhang aufzudecken“, sagte Professor Jen. „Mit dieser Strategie nach sich ziehen wir sie hinauf 14 weitere Materialsysteme ausgeweitet, um die universelle Brauchbarkeit dieser Studie zu zeigen.“ Ihre Ergebnisse wurden in dieser Fachzeitschrift Nature Energy unter dem Titel „Suppressed Recombination Loss in Organic Photovoltaics Adopting a Planar-mixed Heterojunction Architecture“ veröffentlicht.

Durch Ersetzen dieser traditionellen stark durchmischten Bulk-Heterojunction (BHJ)-Baustil intrinsisch dieser Solarzelle durch eine ungefähr entmischte „planar-mixed heterojunction“ (PMHJ), um die Donor-Akzeptor-Grenzfläche intrinsisch dieser aktiven Schicht von OPVs zu reduzieren, gelang es dem Team verringern den Energieumwandlungsverlust in OPVs, während sie die Rekombination dieser Ladungsträger unterdrücken. Ebendiese Feststellung maximierte den Photostrom von OPVs, welches zu Geräten mit einem hohen PCE von droben 19 % führte.

„Im Vergleich zur traditionellen Inter-Mixed Bulk-Heterojunction (BHJ)-Baustil ist unsrige ungefähr entmischte Planar-Mixed Heterojunction (PMHJ)-Strategie in dieser Position, den Verlustweg zu unterdrücken, dieser durch Ladungstransferzustände an dieser Donor-Akzeptor-Grenzfläche vermittelt wird“, erklärte Professor Jen. „Wir nach sich ziehen gezeigt, dass weniger Donor-Akzeptor-Kontakte in planar-gemischten Heteroübergängen die Wahrscheinlichkeit einer Rekombination minimieren und zu einer verringerten T1-Konzentration zur Folge haben. Dies ändert grundlegend den bisherigen Eindruck dieser Forscher von OPVs – dass je mehr Donor-Akzeptor-Kontakte, umso höher die OPV-Leistung .“

„Dieser aus unserer Strategie resultierende optimale Kompromiss zwischen Fotospannung und Fotostrom ermöglicht OPVs mit einer wettbewerbsfähigen Eta, die mit dieser dieser anorganischen Photovoltaik vergleichbar ist“, fügte Dr. Francis Lin, Postdoc am Institut zum Besten von Chemie, dieser ebenfalls an dieser Studie teilnahm, hinzu. Er erklärte, dass organische Photovoltaikzellen gegensätzlich anorganischen Gegenstücken mehrere Vorteile nach sich ziehen, wie z. B. dass sie leichtgewichtig und flexibel sind, wie eine dünne Kunststofffolie, und dass sie eine kostengünstige Herstellung unter Verwendung einer Rolle-zu-Rolle-Druckproduktion geben.

Dasjenige Team ist dieser Unterstellung, dass seine neueste Feststellung eine umfassende Grundlage zum Besten von die zukünftige organische Photovoltaik bietet, um ihr volles Versprechen zu gelingen und eine neue Woge von Studien zu den vielseitigen photophysikalischen Prozessen in organischen Halbleitern anzuregen.

Sie vorschlagen ein Patent zum Besten von die Feststellung. „Wir wünschen, die Leistung von OPVs nachdem unserer neuartigen Feststellung dieser Modulation photophysikalischer Prozesse weiter steigern zu können. Dies definiert dasjenige maximale Potenzial von OPVs zur Erleichterung ihrer Vermarktung neu“, sagte Professor Jen.

Professor Jen und Dr. Lin von dieser CityU und Professor Zhang Chunfeng von dieser Universität Nanjing sind die korrespondierenden Autoren des Artikels. Zu den Erstautoren gehört Hr. Jiang Kui, Promotionsstudent am Department of Chemistry dieser CityU, dieser denn Forschungsassistent in dieser Haufen von Professor Jen an dieser Wissenschaft beteiligt war.

Die Wissenschaft wurde von verschiedenen Finanzierungsquellen unterstützt, darunter dieser Lee Shau-Kee Endowed Chair Professorship (Materialwissenschaften), CityU, dieser Neuerung and Technology Commission of Hong Kong, dem Research Grants Council of Hong Kong, dem Guangdong Major Project of Basic and Applied Grundlagenforschung und dasjenige Guangdong-Hong Kong-Macao Joint Laboratory of Optoelectronic and Magnetic Functional Materials.

Forschungsbericht: Unterdrückter Rekombinationsverlust in organischer Photovoltaik durch Gebrauch einer planar-gemischten Heterojunction-Baustil

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