有機太陽能電池8-9月捷報頻傳——都有哪些突破進展？

Nature：非富勒烯有機太陽能電池中電荷復合的研究

美國加州大學生圣芭芭拉分校的Paul Erhart，比利時的蒙斯埃諾大學的David Beljonne以及英國劍橋大學的Alexander J. Gillett和Richard H. Friend等人研究發現使用非富勒烯受體（NFA）的有機太陽電池體系中，電荷復合是通過形成非輻射NFA的三重態激子進行的。在基準PM6:Y6混合物中，該比例達到90%，開路電壓降低60 mV。而通過設計NFA三重態激子和自旋-三重態電荷轉移激子之間的大量雜化可以防止電荷通過這種非輻射路徑進行復合。這項工作為具有20%或更高PCE的有機太陽能電池提供了設計途徑。相關研究以“The role of charge recombination to triplet excitons in organic solar cells”?為題目，發表在Nature上。DOI: 10.1038/s41586-021-03840-5

圖1 三重態形成路徑及活性層分子結構

AM：通過光分布控制實現19.6%效率的串聯有機太陽能電池

盡管實現更高有機太陽能電池（OSC）性能的潛力更大，但串聯OSC的最高能量轉換效率（PCE）仍落后于最先進的單結電池。化學所侯劍輝和蘇州大學張茂杰等人通過優化具有低電壓損失的光敏層，獲得了高效雙結串聯OSC電池，同時開發一種有效的方法來調整光場分布。優化后的串聯電池實現了19.64%的 PCE，這是 OSC 領域的最高結果，并被美國國家計量院認證為19.50%。相關研究以“A Tandem Organic Photovoltaic Cell with 19.6% Efficiency Enabled by Light Distribution Control”為題目，發表在AM上。DOI: 10.1002/adma.202102787

圖1 活性層分子結構及性質

AM：效率為19%的單結有機太陽能電池

提高能量轉換效率（PCE）對于拓寬有機太陽能電池（OSC）的應用非常重要。化學所侯劍輝等人將材料設計與三元混合策略相結合，實現了19.0%的單結OSC電池的最大PCE（認證效率為 18.7%）。改進的光單元化、級聯能級對齊和增強的分子間堆積實現了0.879 V的開路電壓、26.7 mA cm^-2的短路電流密度和0.809的填充因子。相關研究以“Single-Junction Organic Photovoltaic Cell with 19% Efficiency”為題目，發表在AM上。DOI: 10.1002/adma.202102420

圖2?活性層分子結構及性質

AM：具有混合平面/體異質結的18.5%效率有機太陽能電池

給體:受體異質結已被證明是在有機太陽能電池（OSC）中實現強結合激子解離的最成功方法。建立具有選擇性載流子傳輸和抑制激子復合的理想架構對于提高光伏效率非常重要，但仍然是一個挑戰。寧波材料所葛子義和化學所侯劍輝等人通過定制混合平面/體結構，制造出低能量損失（E_loss）的高效OSC。該定制結構有利于獲得增強的電荷傳輸、提取以及抑制電荷復合。因此，非輻射E_loss降低了25 meV，并且最佳OSC獲得了18.5%的高效率（認證為18.2%）。相關研究以“18.5% Efficiency Organic Solar Cells with a Hybrid Planar/Bulk Heterojunction”為題目，發表在AM上。DOI: 10.1002/adma.202103091

圖3?器件結構及活性層分子

AFM：采用無界面層修飾的氯化ITO陽極的非富勒烯聚合物太陽能電池實現18.60%效率

盡管非富勒烯聚合物太陽能電池（OSC）中不同的高性能光伏系統取得了巨大的發展，但提高其性能的要求仍然很高。武漢大學閔杰等人提出了一種有效且兼容的策略，即二元溶劑氯化銦錫氧化物（ITO）陽極，來提高最先進光敏系統的器件性能。器件效率相對于基于ITO/PEDOT:PSS界面層的器件提高了3.6-6.2%，這驗證了溶劑改性ITO陽極用于無PEDOT:PSS界面層OSC的巨大潛力。相關研究以“PEDOT:PSS-Free Polymer Non-Fullerene Polymer Solar Cells with Efficiency up to 18.60% Employing a Binary-Solvent-Chlorinated ITO Anode”為題目，發表在AFM上。DOI: 10.1002/adfm.202106846

圖4 器件處理過程及器件部分表征

AFM：在可見光范圍內具有窄光子捕獲的寬帶隙聚合物實現高效的半透明有機太陽能電池

半透明有機太陽能電池（OSC）由于其特殊的應用場景最近受到了廣泛關注。國家納米科學中心丁黎明和北京交通大學張福俊等人采用在可見光范圍內具有窄光子捕獲的寬帶隙聚合物D18和具有近紅外光子捕獲的小分子N3構建了半透明OSC。具有10 nm Ag的半透明OSC實現了2.90%的最高光利用效率，能量轉化效率為12.91%，平均可見光透射率（AVT）為 22.49%，這是已報道的半透明OSC的最佳性能之一。相關研究以“Wide Bandgap Polymer with Narrow Photon Harvesting in Visible Light Range Enables Efficient Semitransparent Organic Photovoltaics”為題目，發表在AFM上。DOI: 10.1002/adfm.202107934

圖5 不同優化條件器件性能

EES：通過具有分層分支結構的納米級相分離實現17%效率的全小分子有機太陽能電池

對于全小分子的有機太陽能電池 (SM- OSC)，在活性層中獲得納米級雙連續網絡結構非常具有挑戰性，因此它們的能量轉換效率（PCE） 仍然落后于基于聚合物的OSC。國家納米科學中心魏志祥和化學所侯劍輝等人構建了基于 B1:BO-2Cl:BO-4Cl 三元體異質結層的高效SM-OSC。具有分級分支結構的納米級雙連續互穿網絡可以在具有最佳三元組成的異質結層中完全演化。最佳三元電池的PCE為17.0%（經認證為16.9%），填充因子為0.78，這是目前SM-OSC獲得的最高值。相關研究以“17% efficiency all-small-molecule organic solar cells enabled by nanoscale phase separation with a hierarchical branched structure”為題目，發表在EES上。DOI: 10.1039/d1ee02124a

圖6 活性層形貌及器件性能

AM：可揮發固體添加劑輔助處理使有機太陽能電池的效率超過18.8%，填充因子超過80%

控制有機半導體的自組裝實現在體異質結活性層中形成成熟的納米級相分離對于構建高性能有機太陽能電池（OSC） 至關重要，但也具有挑戰性。特別是，非富勒烯受體和P型有機半導體給體之間相似的各向異性共軛結構增加了操縱它們聚集以實現適當相分離的復雜性。蘇州大學崔超華和國家納米科學中心張建齊等人利用揮發性固體添加劑二噻吩并 [3,2-b:2',3'-d] 噻吩（DTT）和 1-氯萘（CN）輔助活性層制備。具有高結晶度的可揮發固體添加劑DTT可以在活性層薄膜澆鑄過程中限制非富勒烯受體的過度自組裝，然后在熱退火下使相分離和分子堆積的細化。由CN和DTT雙重添加劑處理的三元OSC實現了高能量轉換效率為 18.89%，填充因子為 80.6%。該效率是目前聚合物太陽能電池的最高效率。相關研究以“Volatilizable Solid Additive-Assisted Treatment Enables Organic Solar Cells with Efficiency over 18.8% and Fill Factor Exceeding 80%”為題目，發表在AM上。DOI: 10.1002/adma.202105301

圖7 器件結構及性能

本文由景行供稿。

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