Efficiency enhancement in organic solar cells with ferroelectric polymers

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作者
Yongbo Yuan,Timothy J. Reece,Pankaj Sharma,Shashi Poddar,Stephen Ducharme,Alexei Gruverman,Yang Yang,Jinsong Huang
出处
期刊:Nature Materials [Nature Portfolio]
卷期号:10 (4): 296-302 被引量:514
标识
DOI:10.1038/nmat2951
摘要

The recombination of electrons and holes in semiconducting polymer–fullerene blends has been identified as a main cause of energy loss in organic photovoltaic devices. Generally, an external bias voltage is required to efficiently separate the electrons and holes and thus prevent their recombination. Here we show that a large, permanent, internal electric field can be ensured by incorporating a ferroelectric polymer layer into the device, which eliminates the need for an external bias. The electric field, of the order of 50 V μm−1, potentially induced by the ferroelectric layer is tens of times larger than that achievable by the use of electrodes with different work functions. We show that ferroelectric polymer layers enhanced the efficiency of several types of organic photovoltaic device from 1–2% without layers to 4–5% with layers. These enhanced efficiencies are 10–20% higher than those achieved by other methods, such as morphology and electrode work-function optimization. The devices show the unique characteristics of ferroelectric photovoltaic devices with switchable diode polarity and tunable efficiency. One of the key loss mechanisms in the operation of organic solar cells is the separation and extraction of the generated charge carriers from the active region. The use of a ferroelectric layer is now shown to create large internal electric fields, resulting in an enhanced carrier extraction and increased device efficiency.
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