Energy Environ. Sci.：集成材料和兩個二元電池的優勢——三元非富勒烯聚合物太陽能電池效率高于13.7 %

cc 5年前 (2018-06-20) 7154瀏覽

【前言】

近年來，溶液處理聚合物太陽能電池(PSCs)得到了快速發展，基于高效窄帶供體和非嘌呤受體，PSCs的功率轉換效率(PCE)已經超過13 %。增強光子收集和有源層的優化相位分離是實現高效PSCs的先決條件。三元策略已被證明是通過在供體中引入第三組分:受體體系作為活性層來實現性能改進的有效且簡單的方法。大部分三元PSCs是根據所用材料的互補吸收光譜設計的。事實上，由于所用材料的能級不同，三元活性層中必然會形成一些電荷陷阱。如果第三組分在三元活性層中充當陷阱中心，三元策略將失效。激子解離和電荷傳輸的動力學過程除了對活性層進行充分的光子收集之外，還應該在決定PSCs的性能方面發揮重要作用。所用材料的相容性決定了活性層的相分離程度和動態過程，導致PSCs的光伏參數明顯不同。因此，在選擇第三組分時，除了考慮所用材料的光學性能外，還應考慮二元PSCs的光伏參數。多用途的非嘌呤受體具有較高的光子收集能力和易于調節的能級，這為制備高效的三元PSCs提供了更多的機會。同時，具有相似化學結構的非愈來愈多的受體，由于其略微定制的官能團，可能表現出良好的相容性，以及不同的光物理和光化學性質。為了獲得高效的三元PSCs，應選擇相容性好的非愈來愈多的受體，協同優化三元活性層的光子收集和相分離。

【成果簡介】

近日，來自北京交通大學的張福俊教授、武漢大學及深圳大學的楊楚羅教授，和南京理工大學的唐衛華教授（共同通訊）聯合在Energy Environ. Sci.發文，題為：Ternary nonfullerene polymer solar cells with efficiency ＞13.7% by integrating the advantages of the materials and two binary cells。研究人員用兩種相容性好的小分子非核受體(INPIC-4F和MeIC1)和一種聚合物供體PBDB-T.制備了高效三元聚合物太陽能電池(PSCs)，INPIC-4F或MeIC1基二元PSCs的功率轉換效率(PCE)分別達到12.55 %和11.53 %。在這些高效的二元PSC的基礎上，研究人員在受體中含有50 wt%的MeIC1的三元PSC中實現了13.73 %的高PCE，同時改善了21.86 mA cm?2的短路電流(JSC)、0.88 V的開路電壓(VOC)和71.39 %的填充因子(FF)。三元PSCs的PCE改善應主要歸功于三元活性層優化的光子收集和膜形態。這一結果可為制備高效三元PSCs提供更深入的材料選擇標準: (i)所用材料的互補吸收光譜和良好的相容性；(ii)對應的兩個二元PSC的互補光伏參數。

【圖文導讀】

圖. 1 器件結構和吸收光譜

(a)所用材料的化學結構；

(b)器件結構示意圖；

(c)薄膜中所用材料的吸收系數；

(d)不同MeIC1含量共混膜的吸收光譜；

圖. 2 PSCs性能表征

(a)不同MeIC1含量的PSCs在AM 1.5G光照下的J-V曲線，光照強度為100 mW cm?2；

(b)相應PSCs的EQE譜；

(c)分段計算的JSC與MeIC1含量的關系；

(d) PSCs的VOC與三元活性層中的MeIC1含量、所用材料的能級和示意性動態過程關系；

圖. 3 PSCs性能表征

(a)二元和優化的三元PSCs的Jph–Veff曲線;

(b) JSC與光強的關系；

(c)揮發性有機化合物與光強的關系；

(d)空穴和電子遷移率與MeIC1含量的關系；

圖. 4 共混膜GIXD分析

不同組分的MeIC1共混膜面外(a)和面內 (b)的GIXD曲線；

圖. 5 共混膜結構分析

不同組分的MeIC1共混膜TEM圖；

【總結】

研究人員用不同的受體制備了一系列高效的PBDB-T基PSC，以MeIC1或INPIC-4F為受體的二元PSC的PCEs分別達到11.53 %和12.55 %。在優化后的三元PSC中，其不僅繼承了兩種二元PSC的優點，而且PCE達到了13.73 %，是三元PSC中最高的。三元PSCs性能的提高應歸功于增強的光子收集、優化的相分離和PBDB-T分子排列，以及通過在受體中摻入50wt %的MeIC1，導致三元活性層中更平衡的電荷傳輸。同時也應考慮相應二元PSCs的光帶隙、能級、所用材料的相容性和光伏參數，作為制備高效三元PSCs的關鍵準則。

文獻鏈接：Ternary nonfullerene polymer solar cells with efficiency >13.7% by integrating the advantages of the materials and two binary cells?(2018, Energy Environ. Sci., DOI: DOI: 10.1039/c8ee01107a)

本文由材料人新能源學術組Z. Chen供稿，材料牛整理編輯。

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