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  硅有機異質(zhì)結(jié)雜化太陽能電池結(jié)合了高性能晶體硅和低成本有機材料，有望替代傳統(tǒng)的硅太陽能電池。PEDOT:PSS/n-Si是典型的硅有機雜化電池，研究者們通過硅表面結(jié)構(gòu)處理、溶劑處理以及界面修飾等方法成功將硅有機雜化太陽電池的效率至16%，但是這與傳統(tǒng)的硅基太陽能電池的效率(26%)仍然具有很大的差距。因此，需要更加深入地研究硅有機太陽能電池來提高其性能。

  近日，蘇州大學(xué)孫寶全課題組首次將非富勒烯共軛聚合物材料F-N2200應(yīng)用于硅有機雜化電池的背極，達到改善硅和鋁之間的接觸問題，成功將電池效率從原來的12.6%提升到14.5%。通過結(jié)合密度泛函理論模擬，證實了在提升硅和有機材料間的接觸質(zhì)量中聚合物取向起到了重要作用。該研究以“Naphthalene Diimide-Based n?Type Polymers:Efficient Rear Interlayers for High-Performance Silicon?Organic Heterojunction Solar Cells ”為題發(fā)表在ACS Nano上。

圖1：器件結(jié)構(gòu)、J-V曲線和EQE曲線

(a).硅/有機太陽能電池的結(jié)構(gòu)圖；

(b).器件在AM1.5G，100Mw cm-2條件下的J-V曲線；

(c).器件在無光照下的J-V曲線；

(d).有聚合物夾層和沒有聚合物夾層器件的EQE曲線對比。

圖2：兩種聚合物的分子結(jié)構(gòu)

(a).N2200和F-N2200聚合物的合成路徑，和分子結(jié)構(gòu)；

(b).N2200聚合物生長在硅上的2D-GIWAXS圖像；

(c).F-N2200聚合物生長在硅上的2D-GIWAXS圖像；

(d).生長在硅結(jié)構(gòu)上N2200的分子間平面堆積的原理圖；

(e).生長在硅結(jié)構(gòu)上F-N2200的分子間平面堆積的原理圖。

圖3：兩種聚合物的密度泛函模擬圖

(a).生長在硅上的N2200的三維密度泛函模擬圖；

(b).生長在硅上的F-N2200的三維密度泛函模擬圖。

圖4：不同鋁電極面積（不同鋁電極直徑分別為1,0.8,0.5,0.3,0.2,0.1cm）的器件結(jié)構(gòu)圖和I-V曲線

(a).沒有有機夾層情況下，器件的結(jié)構(gòu)圖和不同鋁電極面積下的I-V曲線；

(b).硅鋁之間有N2200夾層，器件的結(jié)構(gòu)圖和不同鋁電極面積下的I-V曲線；

(c). 硅鋁之間有F-N2200夾層，器件的結(jié)構(gòu)圖和不同鋁電極面積下的I-V曲線。

圖5：Si、Si/N2200、Si/F-N2200的少數(shù)載流子壽命和SKPM

(a). Si、Si/N2200、Si/F-N2200的少數(shù)載流子壽命的映射圖，映射面積為1cm×1cm，注射水平約為2×1017cm-3；

(b).Si/F-N2200的表面電位差SKMP映射圖。

  作者利用共軛聚合物F-N2200改善了硅-鋁電極的接觸問題，成功地提高硅-有機雜化太陽能電池效率，并且用密度泛函理論證實了聚合物取向在提升硅與有機物接觸質(zhì)量上起重要作用。

  論文鏈接：http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.7b03090