香港科技大學顏河教授團隊Joule:新型強結晶性非富勒烯受體助力高效室內有機光伏器件

【引言】

物聯網的興起已經成功帶動了低功耗微電子設備的普及，并且這些微電子設備大多都在室內光環境下使用。而有機光伏器件（OPV）由于其輕薄，易調節吸光等特性，在室內光環境下，可有效的將光能轉化為電能，為這些電子器件實現離網供能。由于室內光源的光譜分布與太陽光不同，現有的高效OPV體系并不適用于室內有機光伏器件(IOPV)。因此，合理的設計IOPV材料成為實現高效室內光伏器件的關鍵。高效IOPV體系需要滿足一下幾個條件：1. 室內光源光譜分布主要集中在400-700nm，IOPV器件光響應光譜應與室內光源發射光譜相匹配，以減小光子因能帶過窄造成的能量損失；2. 器件的陷阱介導復合需要被有效抑制（室內環境下光生載流子密度遠低于太陽光環境下，一階陷阱介導復合對器件影響變大）3.具有較高的外量子效率和較低的電壓損失，在有效的將光子轉化為電子的同時，減小光子的能量損失。

【成果簡介】

近日，香港科技大學顏河教授團隊和西安交通大學馬偉教授團隊通過合理的選擇給體與受體片段調控分子內電荷轉移，設計了一種新型的A-D-A結構大帶隙小分子受體(FCC-Cl)。該受體不僅擁有和室內光源光譜匹配的帶隙（1,71 eV），而且保證了強結晶性和高吸光系數。其與大帶隙的給體材料(D18,PM6)共混后，光譜響應曲線與室內光源發射光譜高度匹配。在500勒克斯（2600K）的發光二極管照射下，器件展現出了優異的外量子效率（~85%）和填充因子（~80%），實現了28.8%的能量轉化效率，這是目前已報導的最高室內有機光伏能量轉化效率之一。該成果以題為“A Highly Crystalline Non-Fullerene Acceptor Enabling Efficient Indoor Organic Photovoltaics with High EQE and Fill Factor”發表在Cell Press旗下Joule（影響因子=29.155）上。香港科技大學博士生白福錦及博士后張健全為該文共同第一作者，西安交通大學馬偉教授和香港科技大學顏河教授為本文共同通訊作者。

【圖文導讀】

圖1. D18，PM6和FCC-Cl的（A）分子結構及其（B）電勢能分布

圖2. 材料的能級，吸收光譜及器件性能

（A）D18，PM6和FCC-Cl的能級分布；（B-C）D18，PM6和FCC-Cl在溶液與薄膜狀態下的紫外-可見吸收光譜；（D）器件電流密度-電壓特征曲線；（E）器件EQE曲線；（F）室內光源發射光譜。

圖3. （A）FCC-Cl, （B）PM6純膜以及（C）PM6：FCC-Cl混合膜的二維原位掠入射廣角X射線散射圖以及其（D）一維剖面圖

圖4. D18：FCC-Cl和PM6：FCC-Cl器件的室內光伏性能表征

（A）D18：FCC-Cl和（B）PM6：FCC-Cl在LED（2600K）照射下的電流密度-電壓特征曲線；（C）LED（2600K）在2000lux下的發射光譜以及功率積分曲線；（D-E）LED（2600K）在2000lux下的光通量光譜以及（D）D18：FCC-Cl和（E）PM6：FCC-Cl的電流積分曲線；（F）器件在LED（2600K， 500lux）持續照射下的穩定性曲線；（G）D18：FCC-Cl和（H）PM6：FCC-Cl的暗電流曲線；（I）LED（2600K， 1000lux）持續照射下光伏器件性能模擬。

圖5. PM6：FCC-Cl厚膜器件的室內光伏性能表征

（A）PM6：FCC-Cl的器件結構；（B）不同膜厚下器件在一個太陽以及LED（2600K，1000lux）照射下的電流密度-電壓特征曲線；（C）不同膜厚下器件的EQE曲線；（D-E）不同膜厚下器件室內室外性能參數變化曲線；（F）理論計算與實驗所得的填充因子隨器件串聯電阻的變化曲線。

【文章亮點】

通過合理的選擇給受體片段，調控小分子受體材料光譜藍移的同時，保證其強結晶性和高吸光系數對實現高效有機光伏性能至關重要。

該工作成功設計了一種新型高效大帶隙小分子受體，在LED（2600K， 1000lux）照射下，實現了28.8%的能量轉化效率。

室內光照射下，載流子密度降低，器件填充因子對有機活性層串聯電阻的敏感性降低。

【論文信息】

Bai, F.; Zhang, J.; Zeng, A.; Zhao, H.; Duan, K.; Yu, H.; Cheng, K.; Chai, G.; Chen, Y.; Liang, J.; Ma, W.; Yan, H., A Highly Crystalline Non-Fullerene Acceptor Enabling Efficient Indoor Organic Photovoltaics with High EQE and Fill Factor. Joule, in press. DOI: 10.1016/j.joule.2021.03.020

期刊鏈接

https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(21)00143-4

論文鏈接

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2542435121001434?via%3Dihub

本文系作者團隊供稿