可重复性是有机电子器件商业化和大规模普及所需要解决的关键问题之一，其主要包括空间重复性和时间重复性，即单个器件不同位点光电特性的差异性及不同批次器件的性能变化。有机光伏器件由于具有空穴、电子双输运体异质结渗透结构，因而对载流子输运过程的可重复性有着很高的要求。然而，由于有机光伏体系中载流子迁移率通常处于10-6-10-3 cm2V-1s-1这一较低的范围，且器件线度通常为厘米及以上量级，目前用于表征半导体薄膜重复性及均匀性的主流技术（例如太赫兹时域光谱、微探针法、导电原子力显微镜等）难以有效地直接应用于有机光伏体系当中。因此，开发一种适用于低载流子迁移率的大面积光伏薄膜的可重复性分析表征方法，并将这一问题与分子设计和电池制备技术相关联，对于有机光伏器件领域的发展具有重要意义。
山东大学郝晓涛、殷航课题组与天津大学叶龙课题组联合报道了一种通过网格化电极衡量大面积有机光伏薄膜迁移率可重复性的实验方法，并基于此方法系统地研究了聚合物分子量对有机薄膜和器件重复性的影响。结果表明，具有较高分子量的聚合物器件具有更为良好的载流子输运重复性，并兼具较高的平均空穴迁移率、较低的能量无序度以及较高的空穴转移速率，从而表现出更优秀的光伏器件性能。文章第一作者为山东大学物理学院硕士研究生桂若华，研究工作同时得到了天津大学材料科学与工程学院刘洋等人的支持。
图1 有机光伏材料P3HT、PBDB-T及PM6薄膜空穴载流子迁移率分布图。
研究人员分别采用三批不同分子量的P3HT, PBDB-T和PM6，研究了薄膜的空穴迁移率分布。聚合物分子量的提高会促使薄膜迁移率升高，同时使迁移率分布更加均匀。变温空间电荷限制电流测试表明，基于高分子量聚合物薄膜具有更低的能量无序度，表明其具有更少的缺陷态以及更窄的带尾态。进一步，研究人员通过瞬态吸收光谱以及时间分辨荧光测试研究了电荷动力学以及激子寿命，结果显示在高分子量聚合物薄膜中存在更快的空穴转移过程。基于以上优势，具有高分子量聚合物的光伏器件表现出更高的短路电流、填充因子和功率转换效率，同时还具有更好的重复性。这项工作提出了一种表征大面积有机器件重复性的简便方法，并系统研究了聚合物分子量与器件可重复性之间的联系，为大面积器件的进一步发展以及有机太阳能电池商业化大规模生产的最终目标提供了一个新视角。
论文信息：
Reproducibility in Time and Space — The Molecular Weight Effects of Polymeric Materials in Organic Photovoltaic Devices
Ruohua Gui, Yang Liu, Zhihao Chen, Tong Wang, Tao Chen, Rui Shi, Kangning Zhang, Wei Qin, Long Ye*, Xiaotao Hao*, Hang Yin*
Small Methods
DOI: 10.1002/smtd.202101548
原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smtd.202101548
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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smtd.202101548
