西安交大科研人员揭示弱光有机光伏器件中光电流高估机理

近年来，室内电子设备的日益普及激发了对半永久性室内发电系统的需求。光伏是适合用于室内能量收集的重要技术之一。有机光伏器件具有独特的光学特性（如高吸收系数、带隙可调）和其他特征（柔性、半透明），能很好地匹配以低光强、不同的输出光谱和美观为特征的室内光条件/环境。发展和研究弱光光伏器件必须准确测量器件性能参数，主要包括能量转换效率（PCE），短路电流（Jsc），开路电压（Voc)，填充因子（FF）。然而，尽管有机光伏器件在标准光照下可以准确测得Jsc，在弱光下测试的Jsc却常常存在严重高估的现象。该现象从未被关注，导致对弱光器件性能的评估和工作机制的分析出现了严重错误。

西安交通大学金属材料强度国家重点实验室赵超博士和马伟教授分析认为，决定电学边缘贡献的关键物理参数是电压分布而不是电阻。随着光照强度降低，光电流减小，器件边缘的电压分布变宽，有效边缘面积增大，导致器件的有效面积增大，造成弱光下Jsc高估。基于上述分析，研究团队提出等效电路模型，以研究光照强度和器件表面电阻对电学边缘效应的影响。计算和实验结果表明，当界面电阻为1MΩ/sq时，在标准光照下（1 sun），边缘效应很小；然而，在低光照下（0.01 sun），边缘效应将导致Jsc高估>70%，PCE高估>22%。该机制适用于所有类型的光伏器件，包括有机太阳能电池、钙钛矿太阳能电池和染料敏化太阳能电池。此外，电学边缘效应通常被认为只发生在具有导电层的器件中，本研究揭示非导电层的界面掺杂也能造成明显的电学边缘效应：在0.01 sun光照下，Jsc高估51%，PCE高估15%。相比导电界面层，界面掺杂引起边缘效应从未被关注，也极易被忽视。进一步研究，团队发现随着表面粗糙度的增大，界面电阻减小，导致更强的边缘效应。基于以上结果，团队提出增加器件的有效面积、降低表面粗糙度、使用掩膜、设计无边缘器件结构，以避免电学边缘效应导致Jsc高估和PCE高估。该工作为电学边缘效应的内在机制及其对器件性能评估的影响提供了新见解，有利于促进室内光伏器件研究领域的健康发展。

(a)电学边缘效应等效电路模型；(b)不同光照下，界面电阻导致Jsc高估；(c)不同活性层体系的Jsc高估现象

该研究成果以《弱光器件中电学边缘效应导致光电流高估》(Electrical edge effect induced photocurrent overestimation in low-light organic photovoltaics)为题发表于《焦耳》(Joule)。西安交大材料学院博士生周晓波为第一作者。西安交大金属材料强度国家重点实验室赵超博士、马伟教授，华盛顿州立大学Brian A. Collins教授为共同通讯作者。西安交大金属材料强度国家重点实验室为第一通讯单位。该工作合作者还包括西安交大金属材料强度国家重点实验室周科副教授和东华大学先进低维材料中心马在飞教授。

论文链接：https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(22)00282-3

课题组网站：http://gr.xjtu.edu.cn/web/msewma/home