Natural Photosynthetic Carotenoids for Solution-Processed Organic Bulk-Heterojunction Solar Cells

岩藻黄质 有机太阳能电池 材料科学 接受者 富勒烯 光电流 光化学 化学 有机化学 光电子学 颜料 聚合物 凝聚态物理 物理
作者
Xiaofeng Wang,Li Wang,Zhongqiang Wang,Yuwei Wang,Naoto Tamai,Ziruo Hong,Junji Kido
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry C [American Chemical Society]
卷期号:117 (2): 804-811 被引量:41
标识
DOI:10.1021/jp309773b
摘要

In this work, we demonstrate utilization of natural carotenoids (Cars), namely, fucoxanthin, β-carotene, and lycopene, as electron-donor molecules together with the electron-acceptor fullerene derivative [6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PCBM) in organic solar cells (OSCs). Unlike fucoxanthin and β-carotene, which form amorphous films, lycopene readily forms aggregates through a simple spin coating process. A high carrier mobility of up to 2.1 × 10–2 cm2/(V s) was observed for lycopene, which is three orders of magnitude greater than those of fucoxanthin and β-carotene, with values of (8.1 and 1.8) × 10–5 cm2/(V s), respectively. OSCs with different Car:PCBM blend ratios were optimized for these Cars. The highest photovoltaic performance was obtained for lycopene with a blend ratio of 1:1, at which the film morphology and charge transport were optimized. Replacement of the acceptor molecule PCBM with a high-lowest-unoccupied-molecular-orbital fullerene derivative indene-C60 bisadduct improved the overall conversion efficiency of lycopene-based OSCs by enhancing the open-circuit current (Voc). Interestingly, further investigation on charge-separation dynamics revealed that photocurrent is generated only from the S2 (1Bu+) state, and the others underwent ultrafast excitation relaxation through S2 → S1 (2Ag–) → S0 (ground state), leaving much room for further improvement.

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