Comparison of the Operation of Polymer/Fullerene, Polymer/Polymer, and Polymer/Nanocrystal Solar Cells: A Transient Photocurrent and Photovoltage Study

材料科学 光电流 聚合物 富勒烯 纳米晶 聚合物太阳能电池 聚芴 光电子学 纳米技术 载流子 太阳能电池 开路电压 共聚物 电压 化学 有机化学 复合材料 量子力学 物理
作者
Zhe Li,Feng Gao,Neil C. Greenham,Christopher R. McNeill
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:21 (8): 1419-1431 被引量:258
标识
DOI:10.1002/adfm.201002154
摘要

Abstract We utilize transient techniques to directly compare the operation of polymer/fullerene, polymer/nanocrystal, and polymer/polymer bulk heterojunction solar cells. For all devices, poly(3‐hexylthiophene) (P3HT) is used as the electron donating polymer, in combination with either the fullerene derivative phenyl‐C 61 ‐butyric acid methyl ester (PCBM) in polymer/fullerene cells, CdSe nanoparticles in polymer/nanocrystal cells, or the polyfluorene copolymer poly((9,9‐dioctylfluorene)‐2,7‐diyl‐alt‐[4,7‐bis(3‐hexylthien‐5‐yl)‐2,1,3‐benzothiadiazole]‐2,2‐diyl) (F8TBT) in polymer/polymer cells. Transient photocurrent and photovoltage measurements are used to probe the dynamics of charge‐separated carriers, with vastly different dynamic behavior observed for polymer/fullerene, polymer/polymer, and polymer/nanocrystal devices on the microsecond to millisecond timescale. Furthermore, by employing transient photocurrent analysis with different applied voltages we are also able to probe the dynamics behavior of these cells from short circuit to open circuit. P3HT/F8TBT and P3HT/CdSe devices are characterized by poor charge extraction of the long‐lived carriers attributed to charge trapping. P3HT/PCBM devices, in contrast, show relatively trap‐free operation with the variation in the photocurrent decay kinetics with applied bias at low intensity, consistent with the drift of free charges under a uniform electric field. Under solar conditions at the maximum power point, we see direct evidence of bimolecular recombination in the P3HT/PCBM device competing with charge extraction. Transient photovoltage measurements reveal that, at open circuit, photogenerated charges have similar lifetimes in all device types, and hence, the extraction of these long‐lived charges is a limiting process in polymer/nanocrystal and polymer/polymer devices.

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