丁黎明Sci. Bull.：三元有機太陽電池效率突破14%

【背景介紹】

有機太陽電池因為其柔性、輕質、可溶液加工等特點而具有巨大商業應用前景。有機太陽電池活性層通常為二元體系，由一個電子給體和一個電子受體組成，給受體共混形成納米尺度互穿網絡結構，可提供足夠激子解離界面和載流子快速傳輸通道。由于有機共軛分子有限的光吸收范圍，二元活性層吸光范圍較窄，不能充分覆蓋太陽輻射光譜。近年來，利用吸收互補的三種材料（如：兩給體一受體，一給體兩受體）構筑高效三元有機太陽電池成為一個研究熱點【1】。由共軛高分子給體、富勒烯受體和非富勒烯受體構筑的三元太陽電池性能優越，它綜合了富勒烯受體的高電子遷移率優勢和非富勒烯受體的高可見-近紅外吸光優勢，能量轉換效率（PCE）超過10％。

【成果簡介】

最近，國家納米科學中心丁黎明課題組研發了一類新型碳氧橋梯形稠環單元，與傳統的碳橋梯形稠環單元如吲噠省類分子（IDT、IDTT）相比，它具有更強的給電子能力和更大的分子平面，用它構筑的D-A共聚物給體材料或A-D-A非富勒烯受體材料具備更窄帶隙，更優吸光能力，以及更強載流子傳輸能力，太陽電池可以獲得更高短路電流密度（J_sc）、填充因子（FF）和PCE（Sci. Bull., 2017, 62, 1331, http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095927317304851）。在此基礎上，他們開發了基于八環碳氧橋梯形單元的非富勒烯受體材料CO_i8DFIC，其光學帶隙僅為1.26 eV，在600-1000 nm范圍內具有強吸光能力，CO_i8DFIC與給體PTB7-Th共混制備體異質結太陽電池獲得12.16%的PCE和26.12 mA cm^-2的J_sc（Sci. Bull., 2017, 62, 1494, http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095927317305340）。他們將富勒烯受體PC₇₁BM引入CO_i8DFIC和PTB7-Th的二元體系中，經過系統優化，獲得14.08％的能量轉換效率，該效率為目前報道的單節有機太陽電池最高效率。添加一定量的PC₇₁BM，活性層在短波和長波區的吸光能力明顯增強，活性層電子遷移率明顯提高，實現了更加平衡的載流子傳輸，電荷復合被進一步抑制， J_sc和FF有顯著提高。該三元電池在近紅外有較高的外量子效率（EQE），響應波長達1050 nm，將來在疊層電池和半透明電池方面都會有很好的應用。該研究工作以題為“Ternary organic solar cells offer 14% power conversion efficiency”發表在Science Bulletin上（2017-11-02在線發表）。

【圖文導讀】

圖1 高效三元有機太陽電池

(a) PTB7-Th，CO_i8DFIC和PC₇₁BM分子結構

(b) PTB7-Th，CO_i8DFIC和PC₇₁BM膜吸收光譜

(c) 能級圖

(d) 二元和三元電池J-V曲線

(e) 二元和三元電池EQE曲線

?【小結】

丁黎明課題組研發一種高分子-富勒烯-非富勒烯三元有機太陽電池，富勒烯受體的引入大幅改善了電子傳輸，電池短路電流密度得到顯著提高，單節有機太陽電池效率首次突破14%。本工作表明高分子-富勒烯-非富勒烯三元太陽電池具有很大潛力。

文獻鏈接：Ternary organic solar cells offer 14% power conversion efficiency. （Sci. Bull., 2017, DOI: 10.1016/j.scib.2017.11.003）

【參考文獻】

1. H. Kim, M. Shin, Y. Kim, J. Phys. Chem. C, 2009, 113, 1620.

本文由Science Bulletin編輯部供稿，材料牛整理編輯。

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