Onderzoekers stellen nieuwe strategie voor voor grensvlakmodificatie van organische zonnecellen

Oppervlakte-energie (γ_s) speelt een sleutelrol bij de vorming van bulk-heterojunctie (BHJ) films in organische zonnecellen vervaardigd door oplossingsproces. De mengbaarheid van BHJ-films kan worden voorspeld door het verschil in oppervlakte-energie tussen donor en acceptor. De verticale distributie en de stapeloriëntatie van BHJ-films kunnen worden geregeld door de oppervlakte-energie in de onderste interfacelaag. De oppervlakte-energie van dunne film wordt meestal verkregen door de contacthoek te meten met behulp van het Owens-Wendt-model.

Deze meetmethode kan echter niet de oppervlakte-energieverdeling in het nanoschaalbereik weerspiegelen en kan de stapeling en fasescheiding op nanoschaal in de BHJ-structuur niet direct verklaren.

Onlangs heeft een onderzoeksteam onder leiding van profs. Zhou Huiqiong, Qiu Xiaohui en Zhang Yong van het National Center for Nanoscience and Technology (NCNST) van de Chinese Academie van Wetenschappen (CAS) stelden een nieuwe strategie voor om de regulering van de verdeling van oppervlakte-energie op nanoschaal op de grenslaag van organische zonnecellen te onderzoeken. De studie is gepubliceerd in Joule.

De onderzoekers gebruikten de op AFM gebaseerde Peak-Force Quantitative Nanomechanical Mappings (PFQNM)-techniek om de oppervlakte-energieverdeling op nanoschaal van gatentransporterende lagen in organische zonnecellen te karakteriseren. Ze ontdekten dat de oppervlakte-energieverdeling van poly3,4-ethyleendioxythiofeen: polystyreensulfonaat (PEDOT:PSS) effectief kan worden gereguleerd door MoS te doteren₂ nanosheets met verschillende laterale afmetingen en de heterogeniteit van PEDOT: PSS-distributie kunnen worden vergroot. De heterogene verdeling van oppervlakte-energie (HeD-SE) kan de moleculaire verdeling, kristaloriëntatie en fasescheiding van de actieve laag verder reguleren.

Dankzij de optimalisatie van de actieve laagmorfologie door de HeD-SE, werden de prestaties en stabiliteit van organische zonnecellen verbeterd met de beste stroomconversie-efficiëntie (PCE) van 18,27%. Bovendien was de verbeteringsverhouding van PCE evenredig met de vergroting van Δγ_s in de BHJ.

Het team van prof. Zhou heeft zich toegelegd op de manipulatie van het grensvlak in in oplossing verwerkte organische zonnecellen, en heeft een reeks onderzoeken uitgevoerd naar de regulering van oppervlakte-energie in organische zonnecellen. De onderzoekers bereikten eerst een hoge vulfactor van 80% in organische zonnecel door toevoeging van WO_x nanodeeltjes in PEDOT:PSS. Toen verkenden ze de relaties tussen de stapeloriëntatie van de actieve laag, de prestaties van organische zonnecellen en de oppervlakte-energie van de interfacelaag. De strategie van grensvlakmodificatie werd gebruikt om elektronentransporterende laag in omgekeerde apparaten te bestuderen, en is gebruikt in perovskiet-zonnecellen. Door het biopolymeer heparine-natrium te gebruiken om de oppervlakte-energie te wijzigen, het interface-defect van perovskiet-zonnecellen werd gepassiveerd met verbeteringen van PCE en stabiliteit.