Nature Energy：通過協同富勒烯和非富勒烯受體實現具有分級形貌的高效有機三元太陽能電池

【前言】

采用多種光吸收材料來拓寬吸收光譜的三元有機光伏(TOPVs)被認為是實現高能量轉換效率(PCE)的重要手段。TOPV的性能在很大程度上依賴于能夠形成匹配的電子結構和合適的微觀形貌的材料組合來產生和傳輸電荷。盡管最近有一些成功的實踐和報道，但如何在復雜動力學平衡的指導下操縱多組分共混物的形貌，以最大光生電流并減少不同來源的電壓損耗通道，這一基本挑戰遠未得到滿足。因此，使用合適的材料和后處理過程來實現可以最大化電荷產生和提取的理想形態，是提高器件效率的重要途徑。由此出發，結合富勒烯和非富勒烯受體(NFAs)可能是有利的，因為富勒烯衍生物(PCBM)是良好的電子傳輸介質，而NFAs具有良好的光吸收和高度可調的能級排列。此外，由于NFAs體系的電荷分離過程中的驅動力較小，相應的器件得到的開壓損耗[定義為E_loss = E_g^opt ? qV_oc (其中E_g^opt是光帶隙，V_oc是開路電壓，q是基本電荷)]很低。

【成果簡介】

近日，中科院化學所的朱曉張教授、瑞典林雪平大學的張鳳玲教授以及上海交通大學劉烽教授（共同通訊）聯合在Nature Energy上發表文章，題為：High-efficiency small-molecule ternary solar cells with a hierarchical morphology enabled by synergizing fullerene and non-fullerene acceptors。作者通過將小分子給體與富勒烯和非富勒烯受體相結合，實現了三元太陽能電池13.20?±?0.25%的高能量轉換效率，這形成了由PCBM組成的電荷運輸高速公路和精細的非富勒烯小相分離路徑組成的分級形貌。載流子生成和傳輸實現了最佳平衡，同時降低了電壓損耗。這種分級形貌充分利用了富勒烯和非富勒烯受體的各自優勢，證明了它們在有機光伏中的不可或缺性。

【圖文導讀】

圖. 1 光伏性能特性

a, 在三元器件中BTR, NITI和PC₇₁BM的化學結構；

b, BTR, NITI和PC₇₁BM的能級；

c, BTR, NITI和PC₇₁BM歸一化的薄膜吸收；

d, 標準入射光強(AM 1.5G, 100 mW cm^?2)下二元和三元器件的電流-電壓特性；

e, 基于二元和三元共混膜的35個器件的PCE測量直方圖；

f, 二元和三元器件的EQE和積分J_sc；

圖. 2 形貌表征

a, 二元和三元共混物(1:0.4:1)的GIWAXS二維衍射圖；

b, 二維GIWAXS數據的平面內(虛線)和平面外(實線)線切割輪廓；

c, 不同NITI組成的共混膜結晶度相干長度信息；

d, 二元和三元共混物的BF和HAADF TEM圖；

e, 二元和三元BHJ薄膜的RSoXS散射圖；

圖. 3 電荷的產生，提取和復合

a、原始供體、NFA和共混膜的光致發光光譜。

b、光電流密度對內部有效電壓(J_ph ? V_eff)的特性

c、J_sc對光強的測量。

d、二元和三元器件的V_oc與光強的關系。

圖. 4能量損失分析

a、基于原始供體、NFA和共混膜的器件的電致發光光譜；

b、混合器件FTPS – EQE；

c、混合器件EQE_EL

圖. 5 PCE_max和E_loss.的形貌說明和比較

a、三元膜中的分級形貌以及主要的電荷產生和傳輸過程；

b .效率大于10 %的單節器件中PCE對E_loss的曲線圖；

【總結】

作者設計了有趣的三元共混物，使用分子給體(BTR)、NFA (NITI)和富勒烯受體(PC₇₁BM)組分，在300 nm的活性層厚度下，器件效率高達13.20±0.25 %。與BTR : NITI BOPVs相比，作者觀察到幾乎所有器件參數都有提升以及電荷傳輸和復合都有協同改善，PCE增強了一倍。這種改進是由于從詳細的相分離和材料結晶之間的平衡中獲得的分級形貌，這表明材料和界面之間達到了微妙的平衡。作者通過使用SVA來操縱薄膜形態，BTR結晶可以將NITI分子推出，這導致PC₇₁BM邊界處的NITI的富集，且PC₇₁BM和(BTR:NITI)之間呈現出有利于光電轉化的face-on分子堆積取向。此外BTR和PC₇₁BM之間的電荷轉移狀態可以被抑制以減少能量損失，并且載流子可以通過級聯能量通道有效地傳輸，因此這種分級形貌結構有利于性能的提升。NITI是提高器件V_oc的關鍵，并貢獻了近紅外光譜區的額外吸收。PC₇₁BM的大相分離框架和良好的BTR結晶度平衡了載流子傳輸并減少了雙分子復合并提升了填充因子FF。

文獻鏈接：High-efficiency small-molecule ternary solar cells with a hierarchical morphology enabled by synergizing fullerene and non-fullerene acceptors,( Nature Energy, 2018, DOI: 10.1038/s41560-018-0234-9)

本文由材料人電子電工學術組Z. Chen供稿，材料牛整理編輯。

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