苏州大学ACS Nano：萘酰亚胺基N型聚合物用于高性能有机异质结太阳能电池的有效背接触

【引言】

硅有机异质结杂化太阳能电池结合了高性能晶体硅和低成本有机材料，有望替代传统的硅太阳能电池。PEDOT:PSS/n-Si是典型的硅有机杂化电池，研究者们通过硅表面结构处理、溶剂处理以及界面修饰等方法成功将硅有机杂化太阳电池的效率至16%，但是这与传统的硅基太阳能电池的效率(26%)仍然具有很大的差距。因此，需要更加深入地研究硅有机太阳能电池来提高其性能。

目前，研究者们通过将铝电极直接沉积在硅背极用于收集电子，由于硅铝之间存在肖特基势垒和表面载流子的复合，从而导致电池效率低下。铝和硅之间形成欧姆接触可以有效的提升电子传输特性，传统的方法是通过对硅背极进行重掺杂来使得硅铝之间形成欧姆接触。然而，这个过程涉及到800℃高温和有毒气体。因此用低温掺杂方法来替代高温掺杂是必然趋势，比如将有机电极、碳酸铯、氧化钛层等置于硅和铝之间。这些低温无毒的掺杂方法能够有效地改善硅铝之间结的质量。但这些修饰层的作用机制尚不明了。近期，N型共轭聚合物被证明是非富勒烯太阳能电池中的重要材料，与半导体金属氧化物材料相比，共轭有机材料展现出了优秀的成膜特性，且通过改变分子结构可以调控共轭聚合物的电学特性。然而，非富勒烯N型共轭有机材料还未被应用于硅有机杂化电池的夹层之中。

【成果简介】

近日，苏州大学孙宝全课题组在ACS Nano上发表了一篇题为“Naphthalene Diimide-Based n‑Type Polymers:Efficient Rear Interlayers for High-Performance Silicon−Organic Heterojunction Solar Cells ”的文章。该研究首次将非富勒烯共轭聚合物材料F-N2200应用于硅有机杂化电池的背极，达到改善硅和铝之间的接触问题，成功将电池效率从原来的12.6%提升到14.5%。通过结合密度泛函理论模拟，证实了在提升硅和有机材料间的接触质量中聚合物取向起到了重要作用。

【图文简介】

图1：器件结构、J-V曲线和EQE曲线

(a).硅/有机太阳能电池的结构图；

(b).器件在AM1.5G，100Mw cm^-2条件下的J-V曲线；

(c).器件在无光照下的J-V曲线；

(d).有聚合物夹层和没有聚合物夹层器件的EQE曲线对比。

图2：两种聚合物的分子结构

(a).N2200和F-N2200聚合物的合成路径，和分子结构；

(b).N2200聚合物生长在硅上的2D-GIWAXS图像；

(c).F-N2200聚合物生长在硅上的2D-GIWAXS图像；

(d).生长在硅结构上N2200的分子间平面堆积的原理图；

(e).生长在硅结构上F-N2200的分子间平面堆积的原理图。

图3：两种聚合物的密度泛函模拟图

(a).生长在硅上的N2200的三维密度泛函模拟图；

(b).生长在硅上的F-N2200的三维密度泛函模拟图。

图4：不同铝电极面积（不同铝电极直径分别为1,0.8,0.5,0.3,0.2,0.1cm）的器件结构图和I-V曲线

(a).没有有机夹层情况下，器件的结构图和不同铝电极面积下的I-V曲线；

(b).硅铝之间有N2200夹层，器件的结构图和不同铝电极面积下的I-V曲线；

(c). 硅铝之间有F-N2200夹层，器件的结构图和不同铝电极面积下的I-V曲线。

图5：Si、Si/N2200、Si/F-N2200的少数载流子寿命和SKPM

(a). Si、Si/N2200、Si/F-N2200的少数载流子寿命的映射图，映射面积为1cm×1cm，注射水平约为2×1017cm-3；

(b).Si/F-N2200的表面电位差SKMP映射图。

【小结】

作者利用共轭聚合物F-N2200改善了硅-铝电极的接触问题，成功地提高硅-有机杂化太阳能电池效率，并且用密度泛函理论证实了聚合物取向在提升硅与有机物接触质量上起重要作用。

文献链接：Naphthalene Diimide-Based n‑Type Polymers:Efficient Rear Interlayers for High-Performance Silicon−Organic Heterojunction Solar Cells （ACS Nano,2017,DOI: 10.1021/acsnano.7b03090）

本文由材料人新人编辑部刘于金编译，赵飞龙审核，点我加入材料人编辑部。

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