北京交通大學張福俊團隊Adv. Energy Mater.：利用三元策略最小化有機光伏器件能量損失，器件效率達17.4%

引言：

有機光伏器件因其成本低、質量輕、柔性、可大面積制備等優點受到廣泛關注，目前已經取得了重大進展。事實上，光電轉換過程中不可避免的能量損失仍然是阻礙器件性能提升的一大因素。目前，研究人員主要通過對高效率非富勒烯材料化學改性來降低器件能量損失。除了材料的改進，器件工程也在降低能量損失方面發揮重要作用。近期的研究結果表明，利用三元策略，能夠有效降低有機光伏器件的能量損失。此外，第三組分還可以在器件性能提升方面發揮多重作用，例如：增強有源層光子俘獲，優化光生激子分布，調控有源層相分離程度等。在高效率二元有機光伏器件的基礎上，通過合理甄選第三組分，有望同時實現器件能量損失最小化，光子俘獲及有源層形貌最優化。

成果簡介：

近日，北京交通大學張福俊教授課題組在Adv. Energy Mater.上發表了題為“Achieving 17.4% Efficiency of Ternary Organic Photovoltaics with Two Well-Compatible Nonfullerene Acceptors for Minimizing Energy Loss”的研究論文。在這項工作中，作者將MeIC為第三組分引入到PM6:BTP-4F-12二元體系制備了一系列三元有機光伏器件，使得器件效率提升至17.4%。研究結果表明，適量MeIC的引入可同時優化有源層的光子俘獲，激子解離和載流子傳輸，促使器件短路電流密度和填充因子分別提升至25.4 mA cm^-2和79.2%。此外，適量的MeIC還能有效提高器件的發光量子效率（EQE_EL），降低非輻射能量損失，促使器件開路電壓的提升。文章第一作者為馬曉玲博士（入選博士后創新人才支持計劃），通訊作者為張福俊教授。

圖文導讀：

圖一、有源層材料的基本性質

（a）有源層材料化學結構；（b）有源層材料能級；（c）純薄膜歸一化吸收光譜；（d）混合薄膜吸收光譜。

圖二、光電性能表征

（a）相應二元和三元有機光伏器件的J-V曲線；（b）相應器件的EQE光譜及最優三元器件與主體系二元器件的ΔEQE。

圖三、器件能量損失的研究

（a）相應器件的s-EQE光譜；（b）相應器件的EQE_EL光譜。

圖四、有源層形貌表征

（a）混合薄膜面內面外方向GIWAXS剖面圖；（b）混合薄膜的TEM圖。

小結：

基于PM6:BTP-4F-12的二元有機光伏器件效率達到16.2%。在高效率二元有機光伏器件基礎上，引入MeIC為第三組分制備了一系列三元有機光伏器件。隨著第三組分MeIC含量的增加，三元器件開路電壓逐漸提升，表明BTP-4F-12與MeIC之間形成合金態，這將有利于三元有源層內電子的傳輸。與兩種二元器件相比，三元器件的能量損失達到最小化，這是其開路電壓提升的關鍵因素之一。當MeIC含量為10 wt%時，三元器件的短路電流密度和填充因子達到最優，器件效率達到17.4%。該值是目前三元有機光伏器件最高效率值之一。

文獻鏈接：Achieving 17.4% Efficiency of Ternary Organic Photovoltaics with Two Well‐Compatible Nonfullerene Acceptors for Minimizing Energy Loss，Adv. Energy Mater. 2020, 2001404??(DOI: doi.org/10.1002/aenm.202001404)。

本文由北京交通大學張福俊教授課題組投稿。