【摘要】 电荷萃取(CEX)被广泛用于评价电荷载流子的密度。

有机太阳能电池的变流技术效率的提高主要是由于新型有机半导体材料的发展。虽然现时开放式太阳能电池的短路电流密度(JSC)及填充系数(FF)已可与无机及钙钛矿型太阳能电池媲美，但开放式太阳能电池的开路电压(VOC)仍有改善的空间。材料的电子能量水平应该适当地调整以增加VOC，同时保持足够的能量差以有效地产生电荷。

 

此外，抑制双分子重组在光照下产生更高的电荷载流子密度，增加VOC。双分子重组取决于电荷载流子密度的平方;然而，与无机太阳能电池相比，OSCs中的重组率远低于Langevin重组模型预期的重组率。这种差异已经由界面电荷转移状态的参与解释了，但OSCs中重组机制的细节尚不清楚。因此，为了将界面结构与载流子在OSC中的复合动力学联系起来，获得有机层中载流子密度的准确信息是至关重要的。

 

电荷萃取(CEX)被广泛用于评价电荷载流子的密度。在这种技术中，开路条件下先保持稳定的光照射，然后在同时关灯的情况下快速应用短路条件(在something100ns内)。随着时间的推移，瞬态电流的积分产生储存在有机层和电极中的电荷。在OSC中，在两个电极之间有一个薄的(大约100纳米)有机层，产生一个大的几何电容(Cgeo)。

 

因此，许多电荷载流子被储存在电极中，这使得CEX在某些情况下难以量化有机层中的电荷载流子。不用CEX计算所有的电荷载流子，差分充电技术，如瞬态光电压/电流(TPV/C)和阻抗谱(IS)，可以通过使用差分电容(Cdiff)间接量化电荷载流子密度。Cdiff是电压依赖性电容，定义为电荷和电压的微小变化之间的比率(ΔQ/ΔV)，并通过对电池施加小电荷密度扰动来测量。Cdiff从0V到VOC的积分给出了OSC在辐照下的总电荷载流子数。差分充电方法的优点是它们可以分别评估有机层中电荷载流子的数量和电极中存储的电荷载流子的数量。通过TPV/C和IS对OSCs进行了分析，但这些方法测定OSCs电荷载流子密度的准确性和对细胞几何电容的鲁棒性需要仔细评估。

 

在这项研究中，我们检验了TPV/C和IS技术在评估具有体异质结(BHJ)和平面异质结(PHJ)结构的OSC中电荷载流子密度的适用性。BHJ和PHJ的主要区别在于给体/受体(D/A)界面面积和薄膜厚度。BHJ具有较大的D/A界面面积和较大的薄膜厚度，因此对表观电荷的Cgeo贡献较小，而PHJ对表观电荷的Cgeo贡献较大。我们讨论了分别评价储存在有机层和电极中的电荷载流子，以及实验获得的电荷载流子密度的可靠性。

 

图1(a)显示了分别用作供体和受体的聚(3-己基噻吩)(P3HT)和[6,6]-PCBM(PC61BM)的分子结构。采用接触膜转移法将P3HT薄膜转移到PC61BM薄膜上制备了PHJ。将P3HT和PC61BM(1:1)混合溶液旋涂，制备了随机混合薄膜。电极采用聚乙烯亚胺乙氧基化(PEIE)修饰的ITO和MoOx/Ag。BHJ和PHJ的薄膜厚度分别为183和45nm。

 

（a）本研究所用材料的分子结构。(b)以(i)BHJ和(ii)PHJ为基础的营运支援中心的结构。

 

图2显示了P3HT:PC61BMBHJ器件的TPV/C和IS测量结果。用于IS分析的等效电路如图2(c)的插图所示，其中Rs是电极的串联电阻，Rmass是有机层的电阻，Cgeo是几何电容，Cμ和Rrec分别是化学电容24和D/A界面上的重组电阻。图S2显示了阻抗响应的拟合结果。图2(a)显示了TPV/C和IS测量的电容值与VOC的对比图。挥发性有机化合物取决于背景白光强度。我们用tPV/c技术计算了Cdiff的差分电容

 

（a）P3HT:PC61BMBHJ的瞬态光电压/电流和阻抗谱测量的电容。实线是指数拟合。(b)有机层中的电荷密度，由电容对电压的积分计算。(c)小扰动寿命τΔn。在不同强度的稳定光照射下，将所有数据绘制成对VOC的影响曲线。

 

总之，当几何电容贡献较大时，只有TPV/C能够估计电池中的电荷载流子密度，这意味着在TPV/C中使用的差分充电比IS对于量化电荷载流子密度更稳健。在界面界面明确的PHJ结构中，对电荷载流子密度、寿命和分布的准确估计将有助于揭示D/A界面结构与电荷载流子复合动力学之间的联系。一旦理想的D/A结构能够在不减少载流子产生的情况下抑制复合，这种结构将提高OSC的性能。

 

1.Kyohei Nakano, Yujiao Chen, Keisuke Tajima; Quantifying charge carrier density in organic solar cells by differential charging techniques. AIP Advances 1 December 2019; 9 (12): 125205. https://doi.org/10.1063/1.5122709

 

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