Adv. Mater.：轉換效率高達12.2%的三元聚合物太陽能電池

【引言】

高效率聚合物太陽能電池需要最大限度地利用太陽光譜。但是有機半導體的一個最大缺陷在于光譜吸收范圍窄。為了實現聚合物太陽能電池的寬光譜覆蓋，通常有兩種途徑：一是分別吸收短波長光和長波長光的疊層有機太陽能電池；二是在直接在給體-受體活性層中引入吸收光譜互補的第三種組分，形成三元聚合物太陽能電池。相比于疊層太陽能電池器件苛刻的制備工藝，三元聚合物太陽能電池以其類似于傳統體異質結太陽能電池器件的制備工藝更具優勢。但是，三元聚合物太陽能電池到目前為止并沒有取得超過二元體系的最高效率，主要原因在于活性層形貌有效控制的難度。以往的三元聚合物太陽能電池一般是以PCBM為受體材料，結合兩種給體的模式；極少有一種給體結合二種受體的聚合物太陽能電池的組合模式見諸報道。那么，一種給體結合兩種受體的聚合物太陽能電池能否通過能級和光譜匹配，以及器件工藝優化后獲得高光電轉化效率呢？

【成果簡介】??

中國科學院化學研究所的侯劍輝課題組利用最常用的受體材料Bis[70]PCBM覆蓋380-550nm范圍內太陽吸收光譜的特點，有效彌補了單前常用窄帶隙非富勒烯受體材料的吸收光譜的缺陷；設計了最高效率為12.20%的單節聚合物太陽能電池，創造了單節聚合物太陽能電池的效率記錄。

【圖文簡介】

圖1? 材料的分子結構、吸收光譜與能級排列圖

(a) 給體材料、受體材料以及陰極界面材料的分子結構

(b) 給體材料與受體材料的吸收光譜

(c) 給體材料與受體材料的能級排列

圖2? 薄膜的光致發光光譜和二組分器件的光伏曲線

(a) 光致發光光譜

(b) 二組分聚合物太陽能電池器件的J-V曲線

表1 優化Bis[70]PCBM質量分數的三元聚合物太陽能電池的光伏性能

圖3 第三組分Bis[70]PCBM含量的變化對光伏性能參數的影響

(a)三種比例下的J-V曲線

(b)三種比例下的外量子效率曲線

(c)三種比例下的外量子效率曲線在不同波段偏差的比較

(d)最優比例下(1:1:0.2)100個電池測試結果得到的效率分布

(e)第三組分Bis[70]PCBM含量對電池開路電壓的影響

(f)三種比例下的光生電流-有效電壓曲線

圖4? 三種比例下的活性層形貌對比

(a)(b)(c)三種比例下的原子力顯微鏡表面形貌圖，引入Bis[70]PCBM作為第三組分對表面粗糙度的影響不大

(d)(e)(f)三種比例下的原子力顯微鏡相圖，引入Bis[70]PCBM沒有破壞活性層纖維狀結構

(g)(h)(i)三種比例下的透射電子顯微鏡形貌圖，引入Bis[70]PCBM后沒有改變活性層形貌

【小結】

通過向二元非富勒烯體系中引入第三種具有短波長吸收特性的受體材料Bis[70] PCBM，中科院侯劍輝課題組的研究人員成功將單層有機太陽能電池的光電轉換效率提高到了12.20%這一新記錄。效率提高的原因一方面在于380-550nm這一波段太陽光吸收的覆蓋，另一方面原因在于光生激子擴散效率的增加。作者分析認為Bis[70] PCBM低的電子遷移率是提高該類三元聚合物太陽能電池效率的主要瓶頸，因此這個最高的效率仍然有進一步提高的空間。

文獻鏈接: Ternary polymer solar cells based on two acceptors and one donor for achieving 12.2% efficiency. (Adv. Mater., 2016，DOI:10.1002/adma.201604059)

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