[论文解读] Modelling of limitations of bulk heterojunction architecture in organic solar cells

Jacek Wojtkiewicz, Marek Pilch|arXiv (Cornell University)|Sep 4, 2017

Organic Electronics and Photovoltaics参考文献 9被引用 3

一句话总结

本文提出一种二维几何模型，通过对比随机体相异质结（BHJ）网络中有效给体-受体界面长度与理想化梳状结构，分析体相异质结（BHJ）有机太阳能电池中固有的效率限制。该模型表明，BHJ结构的界面长度仅达到理想梳状结构的一半左右，揭示了效率提升超过约13%的根本几何约束。

ABSTRACT

Polymer solar cells are considered as very promising candidates for development of photovoltaics of the future. They are cheap and easy to fabricate, however, up to now, they possess fundamental drawback, low effectiveness. In the most popular BHJ (bulk heterojunction) architecture the actual record of efficiency is about 13 percent. One ask the question how fundamental this limitation is. In our paper we propose the simple model which examines the limitations of efficiency by analysis of geometrical aspects of the BHJ architecture. In this paper we considered two dimensional model. We calculated the effective length of the donor-acceptor border in the random mixture of donor and acceptor nanocrystals and further compared it with an ideal comb architecture. It turns out that in the BHJ architecture, this effective length is about 2 times smaller than in the comb architecture.

研究动机与目标

• 探究当前体相异质结（BHJ）有机太阳能电池约13%的功率转换效率上限是否源于基本的几何约束。
• 量化随机BHJ网络与理想化周期性梳状结构之间有效给体-受体界面长度的差异。
• 评估BHJ材料中随机相分离是否因界面面积不足而固有地限制效率。
• 为理解有机光伏中BHJ结构的内在几何限制提供理论框架。

提出的方法

• 构建二维几何模型，将BHJ结构中的给体和受体相表示为随机混合的纳米晶体。
• 利用统计几何原理计算随机BHJ网络中有效给体-受体界面长度。
• 将BHJ模型中的有效界面长度与具有交替给体和受体条带的周期性理想梳状结构进行比较。
• 采用简化且周期性的梳状结构作为单位体积内界面面积的理论上限。
• 应用几何概率与空间分布分析，估算有序系统中可实现的最大界面长度。
• 对随机BHJ与理想梳状结构之间的界面长度进行定量比较，以识别根本的几何限制。

实验结果

研究问题

• RQ1 随机BHJ网络中的有效给体-受体界面长度与理想化周期性梳状结构相比如何？
• RQ2 BHJ材料中的随机相分离在多大程度上限制了电荷分离可实现的最大界面面积？
• RQ3 仅基于几何约束，BHJ系统中的界面长度理论上限是多少？
• RQ4 BHJ太阳能电池中观察到的约13%的效率上限是否可归因于该结构的固有几何限制？

主要发现

• 随机BHJ结构中的有效给体-受体界面长度约为理想梳状结构的一半。
• 这一几何限制意味着，即使材料性能完美，BHJ结构也无法达到理想梳状设计的界面面积。
• 该模型表明，BHJ的基本结构对界面面积施加了严格的上限，直接限制了电荷生成效率。
• 界面长度减少约2倍表明，几何设计是当前BHJ有机太阳能电池效率平台期的关键因素。