上交大&北航&帝國理工NM：光電轉換效率19.6%！單結有機太陽能電池創造新記錄

nanoCJ 1年前 (2022-05-12) 2389瀏覽

【引言】

有機太陽能電池（OSCs）在光伏建筑和柔性電子器件等諸多領域都展現出了巨大的應用潛力。近年來隨著新材料的不斷開發，這類太陽能電池器件的光電轉換效率不斷提高，正逐步追趕硅基太陽能電池和鈣鈦礦太陽能電池。作為此類器件的核心，有機半導體憑借高吸收系數和能級可調等特點，使有機薄膜太陽能電池在寬波長范圍內展現出較高的光電轉換效率。盡管效率不斷突破，但非理想的激子與載流子傳輸仍限制了OSCs的器件性能。由于有機半導體的激子擴散半徑小，載流子遷移率相對較低，因此由給-受體共混制備的體異質結相分離形貌結構是實現高效率的關鍵。有機太陽能電池的活性層形貌是熱力學因素和動力學過程共同決定的復雜非平衡態，精準調控難度較大。構建合適的多尺度形貌，使其適配激子、載流子的相關物理過程，提高其利用效率是獲得高效率器件的關鍵。

【成果簡介】

在前期的研究中，劉烽教授團隊發現Y6類受體具有特殊的類聚合物堆積形態，并對其進行了一系列分子組裝形態與多尺度形貌優化研究。在對Y6分子的結構優化中，通過引入弧外長支化側鏈設計出了L8-BO受體。由于加強了烷基側鏈間相互作用，調整了L8-BO分子在晶格中的組合序列，使其分子堆積更加緊密。這種特殊的多重分子間作用力，可使多個鄰近二聚體交織形成大長徑比的組裝結構，呈現長周期對稱性，并且對局部排列缺陷具有更高的耐受性。因此，L8-BO易形成長針狀單晶結構，且可在薄膜沉積中維持大長徑比的自組裝特性，更易于形成類聚合物的纖維狀結構。在此基礎上，為了進一步在納米尺度上對給受體相進行形貌優化以實現高效的激子擴散與載流子傳輸，上海交通大學劉烽教授、北京航空航天大學孫艷明教授以及帝國理工顏駿博士（共同通訊作者）在PM6:L8-BO的基礎上，通過三元策略，引入了較強結晶性的給體聚合物D18，利用輔助結晶方法制備了具有雙纖維網絡形貌的光吸收層。D18可協同改善給受體纖維的結晶性，平衡給受體端激子和載流子的擴散長度，從而優化器件多維參數適配性。同時，D18還可以促進共混體系形成更密集的雙纖維網絡結構（纖維間隙中的共混相特征尺寸約為5 nm），能更好地與激子、載流子的擴散能力匹配，降低復合常數。此外，密集的給受體纖維交織形成了電子和空穴傳輸的高速通道，保證解離后的載流子能快速擴散到相應電極，最終大幅提升了器件效率。基于PM6:D18:L8-BO的有機太陽能電池最高效率達到了19.6%，填充因子接近82%，并獲第三方獨立機構的效率認證（NPVM：19.2%），是目前有機太陽能電池單結器件報道的最高值。最后，研究團隊總結了構筑雙纖維形貌結構的材料選擇原則并驗證了其普適性，實現了有機光伏薄膜形貌特征尺度與光物理核心參數的匹配適應，為后續高效有機太陽能電池的設計制備提供了新思路。上交大博士后研究員朱磊，博士生張明、徐錦秋為本文共同第一作者，研究成果以 “Single-junction organic solar cells with over 19% efficiency enabled by a refined double-fibril network morphology”為題發表在國際著名期刊Nature Materials上。

【圖文解讀】

圖一、材料和器件性能

（a）PM6、D18以及L8-BO的化學結構；

（b）PM6、D18以及L8-BO的能級圖譜；

（c）基于D18:L8-BO、PM6:L8-BO和 PM6:D18:L8-BO (0.8:0.2:1.2)器件的J-V曲線；

（d）具有不同給體比例的（PM6:D18:L8-BO）器件的PCE、 Jsc、FF值；

（e）基于D18:L8-BO、PM6:L8-BO和 PM6:D18:L8-BO器件的外量子效率（EQE）曲線；

（f）基于D18:L8-BO、PM6:L8-BO和 PM6:D18:L8-BO器件的PCE統計。

表一、OSCs的光伏參數（輻照為AM 1.5G，100?mW?cm–2）

圖二、薄膜形貌表征

（a）PM6:L8-BO 和 PM6:D18:L8-BO共混膜的TEM圖像；

（b）PM6:D18:L8-BO共混膜在不同波數下的PiFM圖像；

（c）PM6:L8-BO 和 PM6:D18:L8-BO共混膜的2D-GIXD圖；

（d）二元和三元混合膜GIXD的面內和面外方向的一維曲線；

（e）雙纖維網絡形貌示意圖。

圖三、器件物理學表征

（a）二元和三元器件的載流子遷移率；

（b）二元和三元器件的載流子擴散長度；

（c）二元和三元器件的電荷密度與復合速率的關系；

（d）二元和三元器件的電子占據態密度分布。

圖四、L8-BO的單晶結構

（a）L8-BO的三種二聚體堆疊模式；

（b）堆疊模式的俯視圖；

（c）堆疊模式的側視圖；

（d）L8-BO單晶的光學顯微鏡照片；

（e）L8-BO單晶的TEM選區電子衍射圖。

圖五、激子擴散長度和器件參數

（a）不同受體的激子擴散長度；

（b）不同給體的激子擴散長度；

（c）不同材料體系的二元和三元器件的PCE、FF、Jsc 和 Voc的統計圖（普適性分析）。

【成果啟示】

在該工作中，作者通過雙纖維網絡形貌策略實現了單結效率19.6%（認證19.2%）的有機太陽能電池。這種形貌結構實現了有機光伏薄膜形貌特征尺度與光物理核心參數的匹配，實現了激子、載流子的高效率利用，并降低了復合，獲得了器件效率的突破。該工作為下一代材料設計及高效率有機太陽能電池的制備提供了新的思路。

文獻鏈接：Single-junction organic solar cells with over 19% efficiency enabled by a refined double-fibril network morphology, Nat. Mater., 2022, DOI: 10.1038/s41563-022-01244-y.

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