Advanced Materials：1.3 V的高開路電壓和0.16 V的低非輻射電壓損失的可溶液處理有機太陽能電池

【引言】

在過去的十年中，可溶液處理的本體異質結（BHJ）有機太陽能電池（OSC）的光電轉換效率（PCEs）雖然達到了16％以上，卻仍不能和無機或鈣鈦礦太陽能電池相比。通常，OSC的效率與短路電流密度（J_sc）、開路電壓（V_oc）和填充因子（FF）成正比。OSC的J_sc和FF有了顯著的提升，但是V_oc卻被限制在0.8-0.9 V之間。這是由于OSC中的電壓損耗（V_loss）較高，通常大于0.6 V，而鈣鈦礦太陽能電池的V_loss卻可以低于0.4 V。OSC中的總電壓損耗來源于三部分ΔE_CT、ΔV_rad和ΔV_non-rad，其中E_CT是電荷能量-轉移（CT）狀態；ΔE_CT是單線態激發態與CT態之間的能量差。對于非富勒烯OSC中的有效激子分離，ΔE_CT可能極低（<0.05 eV）；ΔV_rad是在各種太陽能電池中輻射復合引起的不可避免的電壓損失。另外，ΔV_non-rad也是OSC中大電壓損耗的主要原因，降低ΔV_non-rad，對于改善V_oc中起著至關重要的作用。OSC的ΔV_non-rad通常大于0.20 V，在電致發光外部量子效率（EQE_EL）在10^-5-10^?7內。OSC中EQE_EL較低的主要原因可是存在于活性層中電子給體與受主之間的界面上形成的界面CT狀態。對于無機太陽能電池或鈣鈦礦太陽能電池，ΔV_non-rad可以低于0.1 eV。因此，為OSC設計更好的非富勒烯受體，研究分子結構與V_loss之間的關系至關重要。本文通過氯原子取代噻吩側鏈和噻吩π橋的策略設計高性能聚合物供體。

【成果簡介】

近日，中科院國家納米科學中心的周二軍研究員、北京航空航天大學的孫艷明教授以及東華大學的馬在飛特聘研究員（通訊作者）等人采用兩對D-π-A聚合物（PBT1-C/PBT1-C-2Cl和PBDB-T/PBDB-T-2Cl）作為電子給體，寬帶隙分子BTA3作為電子受體。這些混合膜的電荷轉移態能量（E_CT）高達1.70-1.76 eV，單重態激發態和電荷轉移態之間的能量差異很小（ΔE_CT≈0.1 eV）。此外，將氯原子引入苯并二噻吩（BDT）單元的π橋或側鏈后，在基于PBTI-C‐2Cl和PBDB‐T‐2Cl的OSC中，電致發光外部量子效率高達1.9×10^-3和1.0×10^-3，對應的ΔV_non-rad為0.16和0.17 V，低于不含氯原子的類似聚合物的OSC的ΔV_non-rad（對于PBT1-C和PBDB-T，分別為0.21和0.24 V），V_oc高達1.3 V。基于PBT1-2Cl：BTA3的OSC中獲得的ΔV_non-rad為0.16 V和V_oc為1.3 V。這是已報道的可溶液處理OSC的ΔV_non-rad最低值。相關成果以“Solution-Processed Organic Solar Cells with High Open-Circuit Voltage of 1.3 V and Low Non-Radiative Voltage Loss of 0.16 V”發表在Advanced Materials上。

【圖文導讀】

圖 1 OSCs供體和受體材料的結構表征

（a）PBT1-C、PBT1-C-2Cl、PBDB-T、PBDB-T-2Cl和BTA3的分子結構；

（b）混合膜的歸一化紫外-可見吸收光譜；

（c）循環伏安法測量的給體和受體材料的能級圖。

圖 2 OSCs的光伏性能表征

（a）在太陽光模擬下的AM 1.5G輻照下的J-V曲線；

（b）基于不同混合膜的OSCs的EQE光譜。

圖 3 PBT1-C、PBT1-C-2Cl、PBDB-T和PBDB-T-2Cl混合膜的性質

（a-d）PBT1-C：BTA3（a），PBT1-C-2Cl：BTA3（b），PBDB-T：BTA3（c）和PBDB-T-2Cl：BTA3（d）的TEM圖像；

（e）混合物的GIWAXS衍射圖的一維散射積分曲線。

圖 4 純BTA3和混合膜的PL和TRPL光譜分析

（a）在400 nm激發的純BTA3和混合膜的相對PL光譜；

（b）混合膜和純BTA3膜的歸一化TRPL光譜。

圖 5 電池的sEQE和EL光譜圖

【小結】

本文制備了基于BTA3受體和兩類聚合物供體（氯化和非氯化聚合物）的OSC，系統地研究氯化對OSC能量損失的影響。經氯取代的聚合物和BTA3共混物獲得了高達10^-3的EQE_EL值。基于PBT1-C-2Cl：BTA3共混物的OSC獲得了0.16 V的超低ΔV_non-rad，這是迄今為止溶液處理的OSC報道的最低值。此外，與基于PBT1-C/PBDB-T的電池相比，基于PBT1-C-2Cl/PBDB-T-2Cl：BTA3的OSC的總電壓損耗更低（0.52 V）：BTA3共混（> 0.60 V）。結果表明，在不同位置的D-π-A共軛聚合物（π橋或D單元的側鏈）中進行氯化是降低ΔV_non-rad的簡單有效的策略。更重要的是，通過采用能夠提供高E_CT和低ΔE_CT的材料組合，能夠有效降低OSC的ΔV_non-rad，甚至可以與無機或鈣鈦礦太陽能電池相比。

文獻鏈接Solution-Processed Organic Solar Cells with High Open-Circuit Voltage of 1.3 V and Low Non-Radiative Voltage Loss of 0.16 V（Advanced Materials DOI: 10.1002/adma.202002122）。

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