中科院化學所JACS：在無富勒烯串聯有機太陽能電池中通過微調光敏和交互層實現超過13%的效率

【引言】

溶液法制備的有機太陽能電池的光敏層由有機半導體組成，由于其優點能夠通過廉價打印技術制備質輕、大比表面積和柔性太陽能板而受到關注。因為有機半導體的光吸收來源于最高占據分子軌道（HOMO）和最低未占據軌道（LUMO）之間的π-π^*轉變，這些材料顯示出的吸收峰在半最大處具有窄的全寬限制了對太陽光的收集，因此通過堆疊具有連續補償吸收光譜的兩層和更多層光敏層組建串聯有機太陽能電池作為提高光吸收的有效方法。在光敏材料中，傳統的交互層由兩層結構組成包括一個p型和n型交互層材料，同時在串聯的有機太陽能電池中會影響其光敏性能。

最近，中國科學院化學研究所侯劍輝研究員、許博為副研究員（共同通訊）在Journal of the American Chemical Society 上以“Fine-Tuned Photoactive and Interconnection Layers for Achieving over 13% Efficiency in a Fullerene-Free Tandem Organic Solar Cell”為題發表文章，文章中研究者們設計了一種新型無富勒烯具有1.68V光禁帶的接收器接收前方太陽光，并且優化一個具有1.36eV E_g^opt無富勒烯活性層的相位分離形態制備后方子單元。兩個子單元具有低能耗、高表面量子效率、光響應譜互補；另外，交互層由ZnO、中性自摻雜導電聚合物、PCP-Na組成，在近紅外區域具有高透光系數。

英文縮寫注釋：

PCE? 功率轉換效率；? ICL?? 交互層；? OSCs? 有機太陽能電池；?? NBG? 窄帶隙；? EOE? 外部量子效率；?? NF? 無富勒 烯；WBG? 寬帶隙；? ICT 分子間電荷轉移；? FF? 填充因子；

ITCC-M ? ?3,9-bis((Z)-1-(6-(dicyanomethylene)-2-methyl-5,6-dihydro-6H-cyclopenta[b]thiophen-6-one-5-yl)ethylene)-5,5,11,11-tetrakis(4-hexylphenyl)dithieno[2,3-d:2′,3′-d′]-sindaceno[1,2-b:5,6-b′]dithiophene

ITIC ? ?3,9-bis(2-methylene-(3-(1,1-dicyanomethylene)-indanone)-5,5,11,11-tetrakis(4-hexylphenyl)dithieno[2,3-d:2′,3′-d′]-s-indaceno[1,2-b:5,6-b′]dithiophene

PBDBT ? ?poly[(2,6-(4,8-bis(5-(2-ethylhexyl)thiophen-2-yl)benzo[1,2-b:4,5-b′]dithiophene)-co-(1,3-bis(5-thiophene-2-yl)-5,7-bis(2-ethylhexyl)benzo[1,2-c:4,5-c]dithiophene-4,8-dione)]

【圖文導讀】

圖一 串聯有機太陽能電池中材料性質

a,c)前半電池給電子和后半電池受電子材料的分子結構；

d)在串聯電池中交互層，PCO-Na的分子結構；

b)串聯有機太陽能電池的器件結構；

e)ITIC分子結構；

f)研究中所用到材料的能級原理圖。

圖二 ITIC和ITIC-M的性質

a)在B3LYP/6-31G(d,p)水平下計算ITIC和ITIC-M的表面HOMO和LUMO；

b) ITIC和ITIC-M的正常吸收峰圖譜；

c,d)PBDB-T:ITIC和PBDB-T:ITIC-M有機太陽能電池的J-V曲線和EQE曲線。

圖三?PBDTTT-E-T:IEICO有機太陽能電池性能表征

a,b) 在不同情況下制備的PBDTTT-E-T:IEICO有機太陽能電池的J-V曲線和EQE；

c-e) PBDTTT-E-T:IEICO彎曲薄膜的AFM地形圖、AFM相圖和TEM圖（c:沒有SVA；d:在CB蒸汽中暴露1min；e: 在CB蒸汽中暴露4min）。

圖四?ZnO/PCP-Na器件性能

a)不同PCP-Na厚度ZnO/PCP-Na ICLs的透射光譜；

b) ZnO/PCP-Na 器件的二極管特性曲線；

c,d)串聯電池前半電池和后半電池的J-V曲線和EQE曲線；

e)72單個體電池 的PCE數據直方圖；

f)依據入射光密度的串聯有機太陽能電池的PCE。

【小結】

研究者們通過完全優化兩電池和ICL的活性層制備得到高度有效地無富勒烯串聯有機太陽能電池，設計WBG前半電池、新型SM NF隔膜、ITCC-M用于實現窄吸附譜，具有高的V_oc；通過優化NBG后半電池、陽極緩沖層和活性層的相分離形態可以在近紅外區域實現高EQE。通過使用優化厚度的ICL實現電荷收集和復合還有高透光系數，制備得到的串聯電池的PCEs在0.02-1sun的光照下可達13%-14%。總體來說，文章中的工作不僅證實了系統的工作可以實現優異的光電結果，還顯示出無富勒烯串聯有機太陽能電池的超高性能。但是由于最優器件的全部EQE仍不是很高，填充因子FF也只有0.639，因此在其光電性能上未來還有很大地提升空間。

原文鏈接：Fine-Tuned Photoactive and Interconnection Layers for Achieving over 13% Efficiency in a Fullerene-Free Tandem Organic Solar Cell.( J. Am. Chem. Soc. , 2017, DOI: 10.1021/jacs.7b01493)

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