侯劍輝Adv. Mater.：效率超16%的三元聚合物太陽能電池

【引言】

近年來，非富勒烯受體材料的設計合成促進了聚合物太陽能電池（PSC）的快速發展，進一步提高基于給體和受體構成的兩元非富勒烯型PSC的光伏性能是一個重要挑戰。在這項研究中，研究者們通過將富勒烯衍生物PC₆₁BM引入基于聚合物給體（PBDB-TF）和非富勒烯受體（Y6）的共混體系中制備了三元PSC，最終獲得了16.5％的高效率（認證效率為16.2％）。詳細研究表明，將PC₆₁BM引入到PBDB-TF：Y6共混活性層中不僅可以提高薄膜的電子遷移率，還可以提升活性層的電致發光量子效率，能夠同時起到提高電荷傳輸性能以及降低非輻射能量損失的作用。這項工作表明利用富勒烯和非富勒烯受體的互補優勢是一種精細調控器件光伏參數，進一步提高器件效率的有效方法。

【成果簡介】

近日，中科院化學所侯劍輝課題組在Adv. Mater. 期刊上發表了題為“Improved Charge Transport and Reduced Nonradiative Energy Loss Enable Over 16% Efficiency in Ternary Polymer Solar Cells”研究論文。在這項工作中，作者將PC₆₁BM引入PBDB-TF:Y6二元體系中制備三元了PSC，將PCE提高到16.5％。研究結果表明PC₆₁BM的引入可以有效提高電子遷移率。此外，PC₆₁BM可以分散Y6聚集體，從而提高其發光量子效率（EQE_EL），降低非輻射能量損失。得益于這些優點，三元PSC的主要光伏參數，包括V_oc，J_sc和FF，均得到改善。文章第一作者為于潤楠博士，通訊作者是姚惠峰助理研究員和侯劍輝研究員。

【圖文導讀】

圖一、 活性層材料的基本性質

a）PBDB-TF，Y6和PC₆₁BM的化學結構。 b）PBDB-TF，PC₆₁BM和Y6的薄膜吸收光譜。 c）PBDB-TF，Y6和PC₆₁BM的能級示意圖。

圖二、 光電性能表征

a）基于PBDB-TF：PC₆₁BM，PBDB-TF：Y6和PBDB-TF：Y6：PC₆₁BM的器件J-V曲線，。b）基于PBDB-TF：Y6：PC₆₁BM三元器件的中國國家計量研究院認證結果（認證面積為9.047平方毫米）和PCE計數直方圖。c）相應的EQE曲線。d）三元器件參數隨PC₆₁BM重量比的變化曲線。

?圖三、載流子遷移率和壽命與受體含量的關系

?a）空穴和電子遷移率隨三元活性層中PC₆₁BM含量的變化曲線。b）CELIV遷移率和載流子壽命隨三元活性層中PC₆₁BM含量的變化曲線。

?圖四、 器件能量損失的研究

a）具有不同受體含量的二元和三元器件的s-EQE曲線。 b）歸一化的EL光譜和c）相應器件的EQE_EL值。 d）EQE_EL和非輻射能量損失的變化曲線。

?圖五、 ?活性層形貌表征

基于不同受體組成的共混膜AFM。

?【小結】

研究者們通過構建基于PBDB-TF：Y6：PC₆₁BM的三元活性層，獲得了光電轉化效率為16.5％的聚合物太陽能電池。研究結果表明，PC₆₁BM的引入能夠有效提高活性層的電子傳輸能力從而獲得更為平衡高效的電荷傳輸過程。此外，由于PC₆₁BM可以分散Y6的分子聚集，使得三元活性層表現出更高的EQE_EL，降低了體系的非輻射復合損失。與基于PBDB-TF：Y6的二元器件相比，基于 PBDB-TF：Y6：PC₆₁BM的三元器件的主要光伏參數同時得到了提升。綜上可知，結合富勒烯和非富勒烯受體的優點構建三元器件能夠進一步提高聚合物太陽能電池的光電轉化效率。該工作也表明器件的非輻射復合損失也是在設計高效多元太陽能電池時應認真考慮因素之一。

文章鏈接：Improved Charge Transport and Reduced Nonradiative Energy Loss Enable Over 16% Effciency in Ternary Polymer Solar Cells. (Adv. Mater., DOI: 10.1002/adma.201902302)

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