武漢大學/北京交通大學Nano. Energy.: 高效和空氣穩定的非富勒烯三元有機太陽能電池

【引言】

作為一種清潔的可再生能源技術，有機太陽能電池（OSCs）具有成本低、質量輕、可大面積制備和原材料豐富等獨特優勢，成為近年來國內外能源器件研究和光電材料研宄的前沿和熱點。在有機太陽能電池研究中，聚3-己基噻吩由于廉價、合成簡單容易、形貌穩定性好等特性進入研究者考查范圍，然而聚3-己基噻吩存在開路電壓與短路電流較小的缺陷從而限制了應用。隨后以富勒烯作為受體的有機太陽能電池具有良好的能量轉化效率，成為有機太陽能電池研究的焦點。但是富勒烯也存在明顯的短板，吸光弱、能級固定，這限制了材料結構設計的靈活性和提高能量轉換效率的難度。

隨著研究的深入，非富勒烯進入了研究者的視野，同時研究者設計的三元共混有機太陽能電池能夠同時提高開路電壓、短路電流、填充因子三個因素，因此非富勒烯三元有機太陽能電池有望在效率和穩定性上有所突破。

【成果簡介】

近日，武漢大學楊楚羅教授和北京交通大學張福俊教授（共同通訊作者）成功了制備非富勒烯取代富勒烯的三元有機太陽能器件ITO/ZnO/活性層/MoO₃/Ag，其中ZnO為電子傳輸層，MoO₃為空穴傳輸層，不同ITIC/N2200質量比的薄膜為活性層，并對器件薄膜進行光電性能表征和穩定性測試，結果表明非富勒烯三元有機太陽能電池具有高的效率和穩定性，最優能量轉換效率達到11.40%（ITIC-Th）和12.10%（ITIC-M），空氣中1000 h光照后能量轉化效率仍保持初始能量轉化效率的80%以上。相關成果以題為“High-efficiency and Air Stable Fullerene-free Ternary Organic Solar Cells”發表在了Nano Energy上。

【圖文導讀】

圖1. 非富勒烯三元有機太陽能電池裝置和光電性質表征

（a）非富勒烯三元有機太陽能電池器件結構裝置示意圖

（b）PBDB-T、ITIC 和 N2200 薄膜的標準化紫外-可見吸收光譜圖

（c）100 mW cm^-2 光照下最優二元和三元有機太陽能電池器件的電流強度-電壓曲線，插圖為50個含10 wt% N2200 有機太陽能電池器件的能源轉化效率柱狀圖

（d）最優二元和三元有機太陽能電池器件的外量子效率和短路電流密度結果

（e）不同N2200含量器件薄膜的吸收光譜圖

（f）最優二元和三元有機太陽能電池器件的光電流密度-有效電壓曲線

圖2. 不同有機太陽能電池器件薄膜的光電性能

（a）激發波長700 nm下ITIC、ITIC:N2200 (9:1) 和 N2200 薄膜的光致發光圖譜

（b）激發波長400 nm、監測波長760 nm下ITIC、ITIC:N2200 (9:1) 和 N2200 薄膜的時間分辨瞬態光致發光圖譜

（c）ITIC、ITIC:N2200 (9:1) 和 N2200 作為活性層的電池的電流強度-電壓曲線

（d）實驗所用材料的能級分布和可能的電荷轉移過程

（e）不同光照強度下最優二元和三元有機太陽能電池器件的短路電流強度結果及短路電流強度-光照強度線性擬合結果

（f）不同光照強度下最優二元和三元有機太陽能電池器件的開路電壓結果及開路電壓-光照強度線性擬合結果

圖3. 不同N2200含量有機太陽能電池器件薄膜的TEM和GIXD圖

（a-d）不同N2200含量有機太陽能電池器件薄膜的TEM圖，其中a表示不含N2200，b表示含10 wt% N2200，c表示含50 wt% N2200，d表示含100 wt% N2200

（e）不同N2200含量有機太陽能電池器件薄膜的掠入射X射線衍射圖譜，其中實線為薄膜外表面結果，虛線為薄膜內表面結果

圖4. 非富勒烯三元有機太陽能電池的穩定性

（a-b）100 mW cm^-2光照下非富勒烯三元有機太陽能電池的穩定性結果，其中a表示反向結構的最優二元和三元有機太陽能電池器件的能源轉化效率結果，b表示正常結構的最優二元和三元有機太陽能電池器件的能源轉化效率結果

【小結】

本研究成功制備了非富勒烯三元有機太陽能器件ITO/ZnO/活性層/MoO₃/Ag，其中ZnO為電子傳輸層，MoO₃為空穴傳輸層，不同ITIC/N2200質量比的薄膜為活性層，并對器件薄膜進行光電性能表征和穩定性測試。結果表明非富勒烯三元有機太陽能電池具有高的效率和穩定性，最優能量轉換效率達到11.40%（ITIC-Th）和12.10%（ITIC-M），空氣中1000 h光照后能量轉化效率仍保持初始能量轉化效率的80%以上。非富勒烯三元有機太陽能器件性能得到改善的原因是形貌得到優化、電荷轉移更加平衡以及所用材料的良好兼容性。

文獻鏈接：High-efficiency and Air Stable Fullerene-free Ternary Organic Solar Cells（Nano Energy, 2017, DOI: 10.1016/j.nanoen.2017.12.050）

本文由材料人編輯部新人組楊傳璽編輯，劉宇龍審核，點我加入材料人編輯部。

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