蘇州大學馬萬里教授ACS Appl. Mater. Inter：N型摻雜助力非富勒烯太陽能電池

背逆時光 5年前 (2018-03-25) 3579瀏覽

引言

非富勒烯太陽能電池在近些年來得到了長足的發展，基于非富勒烯聚合物太陽能電池效率已經達到了13%。作為非富勒烯太陽能電池中的典型代表，全聚合物太陽能電池的研究受到廣泛關注并取得長足進展。聚合物受體材料以其具有可見光區強而寬的吸收，在結構和能級上具有很高的調控度，優異的相區穩定性和機械穩定性。但是，目前全聚合物太陽能電池的填充因子(FF)和短路電流(Jsc)，成為器件光電轉換效率受限的主要原因。目前大量的工作都集中對給受聚合物分子結構進行優化，但從器件本身著手減少載流子復合的研究還相對較少。

成果簡介

近日， 蘇州大學功能納米與軟物質研究院的馬萬里教授團隊在 ACS Applied Materials & Interfaces 上在線發表了題為 A Widely Applicable n-Type Molecular Doping for Enhanced Photovoltaic Performance of All-Polymer Solar Cells 的論文。 該論文以Lewis base anions可以和具有大π共軛的NDIs發生有效的電荷轉移，提升聚合物材料載流子濃度和遷移率為設計思路，首次成功的引入一系列N型摻雜劑TBAX (X=F, Cl, Br, I)來提高以PBDB-T為給體，N2200為受體的全聚合物太陽能電池的效率。器件效率成功從5.8%提高到7.0%，其中短路電流(Jsc)，尤其是填充因子(FF)都得到了顯著的提高。添加相對較少的N型摻雜劑TBAX不會改變活性層形貌和相分離，但是卻能很好調節受體聚合物材料的電學性質。在基于對電荷傳輸和復合的研究中，我們發現在聚合物薄膜中電子遷移率的提升以及缺陷態的減少是效率提升的關鍵。我們這項研究為提高全聚合物非富勒烯太陽能器件效率提供了一個新的策略。

圖文導讀

圖1 全聚合物非富勒烯電池

(a)給體聚合物PBDB-T, 受體聚合物 N2200以及n型摻雜劑TBAX (X=F, Cl, Br, I)的分子結構

(b) PBDB-T 和 N2200的薄膜紫外可見吸收譜圖

(c) 反置全聚合太陽能電池的能級圖

圖2 全聚合物太陽能電池性能

(a) 太陽能電池器件結構原理圖

(b) 摻雜和未摻雜n型摻雜劑的PBDB-T:N2200太陽能電池器件J-V曲線

(c) 以及其外量子效率圖

(d) 添加和未添加TBAI的PBDB-T:N2200太陽能電池器件光電流密度(Jph)和有效電壓(Veff)的關系

圖3 全聚合物體相異質結活性層形貌

(a)和(b)摻雜和未摻雜n型摻雜劑TBAI 的PBDB-T:N2200 AFM高度形貌圖

(c)和(d) 二維GIWAXS測試圖

圖4 開爾文探針顯微鏡測試圖

(a)和(b)摻雜和未摻雜n型摻雜劑TBAI，PBDB-T表面電勢圖，

(d)和(e)摻雜和未摻雜n型摻雜劑，TBAI 的N2200表面電勢圖，

(c)和(f)摻雜和未摻雜n型摻雜劑TBAI， 純薄膜表面電勢的差異

圖5 載流子遷移率

(a)摻雜不同量的TBAI，PBDB-T的空穴遷移率變化和N2200的電子遷移率變化

(b)摻雜不同量的TBAI，PBDB-T:N2200混合薄膜的電子和空穴遷移率變化

圖6 全聚合物電池器件物理測試

摻雜和未摻雜TBAI, PBDB-T:N2200太陽能電池器件的(a)Jsc和(b)Voc隨光強的變化關系

(c) 器件阻抗和(d)電容電壓關系的測試結果

圖7 上下圖分別是在暗態環境下和在100 mW/cm2照射下，摻雜和未摻雜TBAI的PBDB-T:N2200太陽能電池電流密度隨電壓的關系

鳴謝

該論文的第一作者是蘇州大學功能納米與軟物質研究院碩士研究生許亞龍，馬萬里教授以及袁建宇副研究員為本文的共同通訊作者。該工作得到了科技部重點研發計劃，國家自然科學基金面上項目，江蘇自然科學基金青年基金的支持。馬萬里教授團隊近年來在全聚合物非富勒烯太陽能電池的材料設計，器件構筑，形貌表征，電荷動力學等方面報道了一系列原創性的工作，相關成果發表在Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., ACS Nano, Nano Energy等國際知名期刊上。

文章鏈接：Widely Applicable n-Type Molecular Doping for Enhanced Photovoltaic Performance of All-Polymer Solar Cells (ACS Appl. Mater. Interfaces, 2018, 10 (3), 2776-2784)

本文來自蘇州大學功能納米與軟物質研究院馬萬里教授團隊，特此感謝！

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