Nano Energy：三元小分子太陽能電池功率轉換效率達到10.3％

【背景介紹】

小分子材料由于具有明確的分子結構，易于純化和形態穩定等優點已經引起了人們的高度關注，其在制造高效溶液處理的有機太陽能電池的應用有著巨大潛力。

【成果簡介】

近日，北京交通大學張福俊教授和桂林電子科技大學張堅教授及國家納米中心的劉新風研究員（共同通訊）等人在二元SMSCs基礎上進行優化，選擇小分子DIB-SQ作為制備三元SMSCs的第三組分。在給體中具有6wt％DIB-SQ的三元SMSCs獲得了10.3％的功率轉換效率。由于短電流密度（J_SC）明顯增加到15.44mA/cm²，填充因子（FF）增加到73.8％，PCE達到了10％左右。DIB-SQ的主要貢獻可以概括為在長波長范圍內增強光子收集和優化相分離。并報道了利用截止濾光片擇光的方法，研究了三元體系中載流子輸運的動力學過程，相關內容以題為“Ternary Small Molecule Solar Cells Exhibiting Power Conversion Efficiency of 10.3%”發表在了Nano Energy上。本文的第一作者為張苗博士和王健博士。

【圖文導讀】

圖1 材料的器件結構和分子結構示意圖及吸收光譜

（a）參考太陽光輻射光譜，純DIB-SQ膜和混合物BTR：PC ₇₁ BM膜的吸收光譜

（b）材料的器件結構和分子結構示意圖

圖2 SMSCs的J-V特性等分析

（a）所有SMSCs的J-V特性

（b）參考SMSCs和優化的三元SMSCs的PCE計數的統計直方圖，擬合曲線表示PCE正態分布

（c）所有SMSCs的EQE光譜

（d）具有不同DIB-SQ含量的共混膜的吸收光譜

圖3 TRPL光、PL光譜分析

（a）通過監測700nm光發射的BTR，DIB-SQ膜和具有6wt％或15wt％DIB-SQ的BTR: DIB-SQ共混膜的TRPL光譜

（b）DIB-SQ薄膜的吸收光譜和純BTR薄膜的PL光譜

（c）在580nm光激發下，BTR膜、DIB-SQ膜和具有不同DIB-SQ含量的共混膜BTR：DIB-SQ的PL光譜

（d）在550nm光激發下，BTR，DIB-SQ溶液和具有不同DIB-SQ體積比的共混物BTR：DIB-SQ溶液的PL光譜

圖4 三元共混膜

參考BTR的（a）OOP和（b）的IP線切割：PC₇₁?BM膜和具有6wt％或15wt％DIB-SQ的三元共混膜

圖5 具有不同DIB-SQ含量共混膜的TEM圖像

圖6 在暗處的（d³/V²） - （V/d）^0.5特性

分別具有0wt％，6wt％，9wt％和100wt％DIB-SQ的（a）僅孔和（b）僅電子器件裝置在暗處的（d³/V²） - （V/d）^0.5特性

圖7 J-V特性曲線等分析

（a）參考SMSCs的J-V特性曲線

（b）使用一組中性濾光器在100mW / cm²照明下獲得的不同光強度的優化三元SMSCs

（c）J_SC和V_OC對SMSCs和優化的三元SMSCs光強度的依賴性

（d）所有SMSCs的J_ph?-V_eff特性曲線

圖8 三元活性層示意圖

（a）三元活性層示意圖

（b）使用材料的能級

圖9 二元和三元SMSC在670 nm截止濾光片覆蓋下的J-V曲線及EQE光譜分析

（a）在標準光源下用670nm截止濾光片覆蓋的二元和三元SMSCs的J-V曲線

（b）用670 nm截止濾光片覆蓋的所有SMSCs的相應EQE光譜，插圖是截止濾光片的透射光譜

圖10 瞬態吸收光譜（TAS）

（a）供體中二元BTR：PC₇₁?BM，（b）DIB-SQ：PC₇₁?BM和（c）具有15wt％ DIB-SQ的三元BTR：DIB-SQ：PC₇₁?BM混合膜瞬時吸收光譜（TAS）

（d)二元BTR：PC₇₁?BM共混膜和具有15wt％ DIB-SQ的三元BTR：DIB-SQ：PC₇₁?BM混合膜在供體中的瞬態吸收動力學分析

圖11 三元SMSCs的穩定性分析

條件分別為沒有任何封裝存儲在空氣中，高純N₂填充的手套式操作箱在有/無80°C連續加熱

【總結】

眾所周知，形態優化對于獲得高效的SMSCs是很大的挑戰。本研究成果將基于BTR為給體的小分子太陽能電池(SMSCs)的功率轉換效率提高到了10.3%，證明三元策略是提高小分子太陽能電池(SMSCs)性能的有效方法。

文獻鏈接：Ternary Small Molecule Solar Cells Exhibiting Power Conversion Efficiency of 10.3%（Nano Energy,2017,DOI:10.1016/j.nanoen.2017.07.044）

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