中科院化學所侯劍輝團隊Adv. Mater.：單結有機光伏電池的效率接近18%

木文韜 3年前 (2020-04-11) 7840瀏覽

【引言】

有機光伏（OPV）電池具有獨特的優勢，如柔韌性、重量輕、色彩可調，并且可以通過低成本的溶液處理方法來制造大面積的OPV面板，這些優點有望使它們具有巨大的應用潛力。自2015年以來，供體-受體概念被納入ITIC等非富勒烯受體（NFAs）的設計中。NFA基OPV電池的能量損耗被抑制至0.7 eV以下，從而將PCE提升至≈15％。近來，一種名為Y6的NFA及其衍生物因其優異的光伏性能而備受關注。目前，基于Y6系統的OPV電池的PCE產量已超過16％，在商業應用中顯示出巨大的潛力。這些進步也帶來了一個關鍵問題，即如何通過設計新材料進一步改善PCE。對于有機半導體，烷基鏈對分子間的堆積和電荷傳輸具有重要作用。要獲得優良的分子堆積，必須充分優化烷基鏈，發掘其在提高相應電子器件性能方面的優勢。例如：基于PffBT4T/PCBM的共混膜可以通過PffBT4T中烷基鏈的細微變化來調節共混薄膜的相區尺寸和純度。結果，具有最佳烷基鏈的聚合物的PCE達到了11.7％，這是富勒烯基OPV電池的最高值之一。因此，對烷基鏈進行精細的優化，有可能進一步提高OPV電池的光伏性能。

【成果簡介】

近日，中國科學院化學研究所侯劍輝團隊的姚惠峰等人與國家納米科學中心和瑞典林雪平大學合作，對Y6衍生物邊緣的烷基鏈進行了優化，并研究了它們在OPV電池中的應用。將正十一烷基（C11）縮短為正壬基（C9）和正庚基（C7），合成了名為BTP-eC9和BTP-eC7的NFAs。與BTP-eC11相比，具有較短烷基鏈的BTP-eC9顯示出合適的溶解度以及適當的結晶性，降低了Urbach能，并增強了載流子遷移率。值得注意的是，由于短路電流密度和填充因子的提高，基于BTP-eC9的單結OPV電池獲得了17.8％（17.4±0.2％）的PCE，認證值為17.3 ％。然而，進一步縮短烷基鏈，導致BTP-eC7的溶解度顯著降低。BTP-eC7的加工性能差，光伏應用不佳。這些結果表明，通過對烷基鏈的精細優化，可以獲得優異的光伏性能。團隊預計，通過進一步優化供體材料和器件加工工程，如多組分共混和形貌控制，可以實現更高的PCE。該成果以題為“Single-Junction Organic Photovoltaic Cells with Approaching 18% Efficiency”發表在了Adv. Mater.上。通訊作者是姚惠峰博士，第一作者是崔勇博士。?

【圖文導讀】

圖1 Y6分子構型的圖解

空間填充模型突出顯示了兩種烷基鏈（以綠色和紅色顯示）。在實驗室中對Y6的化學改性：第一步：氟化到氯化；第二步：優化吡咯上的烷基鏈；第三步：調整邊緣上的烷基鏈（本工作中，C9和C7分別取代邊緣上的C11制備BTP-eC9和BTP-eC7）。

圖2 NFA薄膜的結構表征

a）NFA薄膜的歸一化光吸收光譜。

b）純NFAs基的器件的高靈敏度EQE光譜。

c）NFA薄膜的2D GIWAXS圖案。

d）IP和e）OOP方向的提取圖。

圖3?NFA的光伏特性

a）最佳器件的J-V曲線。

b）64個器件的PCEs的直方圖。

c）在NIM中得到的J?V和功率密度曲線。

d）最佳電池的EQE曲線。

e）器件的Photo-CELIV曲線。

f）VOC和JSC對Plight的依賴性。

圖4 薄膜的AFM表征

a-c）AFM高度圖像：a）PBDB-TF：BTP-eC11，b）PBDB-TF：BTP-eC9，和c）PBDB-TF：BTP-eC7混合膜。

d-f）AFM相圖：d）PBDB-TF：BTP-eC11，e）PBDB-TF：BTP-eC9，以及f）PBDB-TF：BTP-eC7混合膜。

圖5?2D GIWAXS圖

a-e）2D GIWAXS圖：a）PBDB-TF，b）PBDB-TF：BTP-eC7，c）PBDB-TF：BTP-eC9和d）PBDB-TF：BTP-eC11 。

e）PBDB-TF和PBDB-TF：NFAs的1D曲線圖。

【小結】

綜上所述，團隊對Y6型分子邊緣的烷基鏈進行了精細的優化，并研究了所得NFAs在制備高效OPV電池中的應用。通過逐步將C11的烷基鏈縮短至C9、C7，合成了BTP-eC9和BTP-eC7的NFAs。BTP-eC9保持了良好的溶解性，同時具有增強的分子間有序度。在BTP-eC9基的器件中，較好的形貌特征改善了電荷傳輸并抑制了電荷重組。因此，最優的OPV電池獲得了17.8%的PCE（17.4±0.2％，經驗證為17.3％），是OPV電池中最優的結果之一。對于BTP-eC7，它在共混物中溶解度低，聚集過度，影響了器件中的光伏效率。這些結果表明，對具有優良共軛骨架的OPV材料進行精細的化學結構優化，對于充分挖掘其光伏性能具有重要意義。研究認為，通過合理的器件設計，如采用多配位體或配位體的共混，控制共混形貌，選擇高效的中間層等，可以進一步提高PCE的性能。

文獻鏈接：Single-Junction Organic Photovoltaic Cells with Approaching 18% Efficiency（Adv. Mater.， 2020，DOI:10.1002/adma.201908205）

【團隊介紹】

侯劍輝：中國科學院化學研究所研究員，中科院百人計劃，國家杰出青年基金獲得者，入選?"萬人計劃"青年拔尖人才和科技創新領軍人才。長期從事有機光伏材料設計和器件制備研究。發表SCI論文300余篇，包括Nat. Mater.，Nat. Energy，Nat. Photon.，J. Am. Chem. Soc.，?Angew. Chem. Int. Ed. Engl.，Adv. Mater.等；論文他引40000余次；授權發明專利18項（中國16項，美國2項）。

【相關優質文獻推薦】

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本文由木文韜翻譯。

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