有机太阳能电池具有由聚合物和小分子制成的光敏层。电池非常薄，可以弯曲，并且易于制造。然而，这些电池的效率仍然远低于传统的硅基电池。格罗宁根大学的应用物理学家现已制造出一种效率超过17%的有机太阳能电池，处于此类材料的最高水平。它的优点是使用了一种不寻常的设备结构，该结构是使用可扩展技术生成的。该设计涉及通过原子层沉积生长的氧化锡导电层。科学家们还有一些想法可以进一步提高电池的效率和稳定性。该研究于3月31日发表于《先进材料》杂志。
在有机太阳能电池中，聚合物和小分子将光转化为在电极处收集的电荷。这些电池由不同层的薄膜制成——每一层都有自己的特性——堆叠在基板上。最重要的是将光转化为电荷并将电子与空穴分离的光敏层，以及选择性地将电子引向电极的传输和阻挡层。
稳定格罗宁根大学泽尼克高级材料研究所光物理和光电子组的博士生David Garcia Romero说：“在大多数有机太阳能电池中，电子传输层是由氧化锌制成的，氧化锌是一种高度透明和导电的材料，位于活性层下方”。Garcia Romero和同一小组的博士后研究员Lorenzo Di Mario研究了使用氧化锡作为传输层的想法，他解释说，氧化锌比氧化锡更具光活性，因此后者应该会带来更高的器件稳定性。
尽管氧化锡在之前的研究中显示出可喜的成果，但尚未找到将其生长为适合有机太阳能电池传输层的最佳方法。Garcia Romero说：“我们使用了原子层沉积，这是一种在有机光伏领域很长时间没有使用过的技术。它有一些重要的优势：这种方法可以生长出质量卓越的层，并且可以扩展到工业过程，例如卷对卷处理。”
可扩展用原子层沉积在顶部沉积氧化锡制成的有机太阳能电池显示出非常好的性能。“我们实现了17.26%的冠军效率，”Garcia Romero说。填充因子是太阳能电池质量的一个重要参数，其值高达79%，与此类结构的记录值一致。此外，可以通过改变材料沉积的温度来调整氧化锡层的光学和结构特性。具有在140摄氏度下沉积的传输层的电池达到了最大功率转换。对于两个不同的有源层也证明了相同的结果，这意味着氧化锡以通用方式提高了效率。
Garcia Romero说：“我们的目标是提高有机太阳能电池的效率，并使用可扩展的方法”。这一效率接近目前有机太阳能电池的记录，约为19%我们还没有优化其他层。因此，我们需要进一步推动我们的结构，Garcia Romero和他的合著者Lorenzo di Mario也热衷于尝试制造更大面积的电池。这些通常效率较低，但需要逐步走向现实世界的应用程序和面板。
改进这种具有令人印象深刻的高填充因子的新型太阳能电池是进一步发展的良好起点。Garcia Romero：“对于工业合作伙伴来说，现在接受这一点可能有点为时过早，我们需要先做更多的研究。我们希望原子层沉积的使用能激励该领域的其他人。”
Loi教授补充道：“我们总是努力了解材料和设备结构中发生了什么。在这方面，我们认为可能还有改进的空间。在这个过程中，我们的氧化锡传输层是一个很好的初始步骤。这类太阳能电池可能会对能量转换做出重要的额外贡献，因为它们的机械特性和透明度。我们预计它们将以与硅面板完全不同的方式使用。”
Lorenzo Di Mario、David Garcia Romero、Han Wang、Eelco K.Tekelenburg、Sander Meems、Teodor Zaharia、Giuseppe Portale en Maria A.Loi：原子层沉积SnO2倒置有机太阳能电池的杰出填充因子。《先进材料》，2023年3月31日。
DOI:10.1002/adma.202301404
