【摘要】 深度解析差分电荷技术在有机光伏器件中的应用，对比TPV/C与阻抗谱在BHJ/PHJ结构中的检测精度。含P3HT/PC61BM材料性能数据及器件制备工艺详解，揭示载流子分布的核心检测原理。

在有机太阳能电池（OSCs）的研发中，准确测定载流子密度是评估器件性能的核心指标。传统电荷提取技术（CEX）因受几何电容干扰存在局限，而基于差分电容原理的瞬态光电压/电流（TPV/C）和阻抗谱（IS）技术，正在成为新一代量化解决方案。

 

一、技术原理与创新突破

有机太阳能电池的活性层厚度仅约100nm，其几何电容（Cgeo）会导致电极存储过量载流子。如图1(a)所示，通过施加微小电荷扰动测量ΔQ/ΔV的差分电容法，可有效区分有机层与电极的载流子分布。实验数据显示，在0V至开路电压（VOC）区间积分Cdiff值，能精准计算光辐照下的总载流子数。

图1 （a）所用材料的分子结构。（b）基于a （i） BHJ和（ii） PHJ的OSCs结构。

 

二、BHJ与PHJ结构的对比实验

研究团队选取聚(3-己基噻吩)(P3HT)/[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯(PC61BM)体系，通过接触膜转移法（PHJ）和旋涂混合法（BHJ）制备两种异质结器件：

  • 体异质结（BHJ）：183nm厚混合膜，供受体界面面积大
  • 平面异质结（PHJ）：45nm分层结构，界面接触面积小

图2（a） P3HT:PC61BM BHJ的瞬态光电压/电流和阻抗谱测量电容。实线是指数拟合。（b）由电容对电压的积分计算出的有机层中的电荷密度。（c）小扰动寿命τΔn。在不同强度的稳定光照射下，将所有数据与VOC进行对比。

 

测试表明：PHJ器件因几何电容贡献显著（约80%载流子存储在电极），传统CEX法误差达3倍以上，而TPV/C通过差分充电技术将误差控制在15%以内。

 

三、关键技术的应用优势

1.TPV/C技术优势

在电压动态扫描中，通过纳秒级光脉冲触发载流子响应，成功规避几何电容干扰。实验数据显示，该方法在BHJ器件中的载流子密度检测灵敏度比IS技术高40%。

2.阻抗谱的适用场景

适用于低几何电容体系（如超薄层器件），但对PHJ结构的载流子分离度检测存在18%-22%的系统偏差。

 

四、技术验证与行业价值

研究团队通过MoOx/Ag电极体系的对比实验验证：

  • TPV/C测得PHJ器件的有效载流子密度为2.3×10¹⁶ cm⁻³
  • IS方法因未排除电极存储电荷，测得值偏差至3.1×10¹⁶ cm⁻³

该发现为优化异质结界面设计提供了关键数据支撑，特别在提升钙钛矿/有机叠层电池效率方面具有重要指导意义。

 

参考文献：

1.&nbspNakano, K.;  Chen, Y.; Tajima, K., Quantifying charge carrier density in organic solar cells by differential charging techniques. AIP Adv. 2019, 9 （12）, 125205.

 

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