四川大學&西安交通大學Adv. Mater. : 綠色溶劑制備的非富勒烯有機太陽能電池效率超過13%

【引言】

有機太陽能電池作為一項有前景的技術已經受到廣泛關注。富勒烯衍生物曾經作為受體在有機太陽能電池中廣泛使用。然而，其固有的缺陷阻礙了有機太陽能電池的商業化發展。因此，非富勒烯替代物成為了研究熱點。為了得到高性能的非富勒烯有機太陽能電池，與活性層材料對光進行互補吸收是前提條件。另一方面，還需要考慮到有利的能級位置，因為它能夠影響相關的激子分離和能量損失。發展優異的寬禁帶聚合物供體對于進一步提高非富勒烯有機電池的器件性能是十分重要的。除了材料的設計之外，形貌控制和器件的設計對提高有機太陽電池的效率也是有益的。已經有很多方法用于改善材料的形貌，如溶劑的類型、添加劑的選擇、后處理等。然而在大多數情況下，研究者經常使用鹵化溶劑，這對人類的健康和環境是不利的。因此，僅僅使用單一并且對環境有益且不使用任何后處理的方式制備高性能的有機太陽能電池是非常有意義的。

【成果簡介】

近日，四川大學彭強教授和西安交通大學馬偉教授（共同通訊作者）在Adv. Mater.上發表最新研究成果“Realizing Over 13% Efficiency in Green-Solvent-Processed Nonfullerene Organic Solar Cells Enabled by 1,3,4-Thiadiazole-Based Wide-Bandgap Copolymers”。在該文中，研究者在1，3，4-噻二唑（TDZ）和苯并[1,2-b:4,5-b′]二噻吩（BDT）的基礎上合成了兩種新型的寬禁帶共聚物（PBDT-TDZ和PBDTS-TDZ）。通過使用單一綠色溶劑鄰二甲苯，以PBDTS-TDZ:ITIC基礎制備的器件具有大的開路電壓（1.10 V）和極低的能量損失（0.48 eV）。在沒有任何添加劑和后處理的情況下，電池器件的短路電流密度為17.78 mA cm^-2、填充因子為65.4%，效率為12.80%。當采用串聯的器件構型時，器件的效率進一步提高到13.35%，這是目前為止文獻報導的串聯有機太陽電池的最高值。

【圖文導讀】

圖1 共聚物和ITIC的基本性質

（a）共聚物和ITIC的化學結構

（b）共聚物和ITIC的歸一化的吸收光譜

（c）共聚物和ITIC的能級示意圖

圖2 有機電池的光伏性能

（a）非富勒烯有機電池的J-V 特征曲線

（b）非富勒烯有機電池的EQE曲線

（c）以報導高效的有機太陽電池的PCE-E_loss圖

（d）初始的和混合膜的PL光譜

圖3 共聚物膜的結構性質

（a-f）初始的和混合膜的GIWAXS花樣

（g）初始的和混合膜的平面內和外平面的切割曲線

（h）混合膜的R-SoXS曲線

圖4 串聯有機電池的結構及性能

（a）串聯有機電池的器件結構

（b）串聯有機電池的能級位置示意圖

（c）串聯有機電池的J-V特征曲線

（d）串聯有機電池的EQE曲線

【小結】

在這項工作中，研究者設計和合成了兩種新型的寬禁帶共聚物，其禁帶寬度為2.10 eV，HOMO能級的位置低于-5.35 eV。使用ITIC作為非富勒烯接受層，PBDTS-TDZ單結器件具有1.10 V的開路電壓和0.48 eV的能量損失。PBDTS-TDZ器件具有12.80%的效率。當采用串聯結構時，PBDTS-TDZ基的器件具有13.35%的效率和2.13 V的開路電壓。該研究為發展高效的寬禁帶共聚物受體提供了新的思路，有利于單結或者串聯非富勒烯有機太陽電池的商業化。

文獻鏈接：Realizing Over 13% Efficiency in Green-Solvent-Processed Nonfullerene Organic Solar Cells Enabled by 1,3,4-Thiadiazole-Based Wide-Bandgap Copolymers（Adv. Mater.，2017，DOI: 10.1002/adma.201703973）

本文由材料人編輯部實習生馬永超編譯，黃超審核，點我加入材料人編輯部。

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