苏州大学马万里教授ACS Appl. Mater. Inter：N型掺杂助力非富勒烯太阳能电池

背逆时光 6年前 (2018-03-25) 4040浏览

引言

非富勒烯太阳能电池在近些年来得到了长足的发展，基于非富勒烯聚合物太阳能电池效率已经达到了13%。作为非富勒烯太阳能电池中的典型代表，全聚合物太阳能电池的研究受到广泛关注并取得长足进展。聚合物受体材料以其具有可见光区强而宽的吸收，在结构和能级上具有很高的调控度，优异的相区稳定性和机械稳定性。但是，目前全聚合物太阳能电池的填充因子(FF)和短路电流(Jsc)，成为器件光电转换效率受限的主要原因。目前大量的工作都集中对给受聚合物分子结构进行优化，但从器件本身着手减少载流子复合的研究还相对较少。

成果简介

近日， 苏州大学功能纳米与软物质研究院的马万里教授团队在 ACS Applied Materials & Interfaces 上在线发表了题为 A Widely Applicable n-Type Molecular Doping for Enhanced Photovoltaic Performance of All-Polymer Solar Cells 的论文。 该论文以Lewis base anions可以和具有大π共轭的NDIs发生有效的电荷转移，提升聚合物材料载流子浓度和迁移率为设计思路，首次成功的引入一系列N型掺杂剂TBAX (X=F, Cl, Br, I)来提高以PBDB-T为给体，N2200为受体的全聚合物太阳能电池的效率。器件效率成功从5.8%提高到7.0%，其中短路电流(Jsc)，尤其是填充因子(FF)都得到了显著的提高。添加相对较少的N型掺杂剂TBAX不会改变活性层形貌和相分离，但是却能很好调节受体聚合物材料的电学性质。在基于对电荷传输和复合的研究中，我们发现在聚合物薄膜中电子迁移率的提升以及缺陷态的减少是效率提升的关键。我们这项研究为提高全聚合物非富勒烯太阳能器件效率提供了一个新的策略。

图文导读

图1 全聚合物非富勒烯电池

(a)给体聚合物PBDB-T, 受体聚合物 N2200以及n型掺杂剂TBAX (X=F, Cl, Br, I)的分子结构

(b) PBDB-T 和 N2200的薄膜紫外可见吸收谱图

(c) 反置全聚合太阳能电池的能级图

图2 全聚合物太阳能电池性能

(a) 太阳能电池器件结构原理图

(b) 掺杂和未掺杂n型掺杂剂的PBDB-T:N2200太阳能电池器件J-V曲线

(c) 以及其外量子效率图

(d) 添加和未添加TBAI的PBDB-T:N2200太阳能电池器件光电流密度(Jph)和有效电压(Veff)的关系

图3 全聚合物体相异质结活性层形貌

(a)和(b)掺杂和未掺杂n型掺杂剂TBAI 的PBDB-T:N2200 AFM高度形貌图

(c)和(d) 二维GIWAXS测试图

图4 开尔文探针显微镜测试图

(a)和(b)掺杂和未掺杂n型掺杂剂TBAI，PBDB-T表面电势图，

(d)和(e)掺杂和未掺杂n型掺杂剂，TBAI 的N2200表面电势图，

(c)和(f)掺杂和未掺杂n型掺杂剂TBAI， 纯薄膜表面电势的差异

图5 载流子迁移率

(a)掺杂不同量的TBAI，PBDB-T的空穴迁移率变化和N2200的电子迁移率变化

(b)掺杂不同量的TBAI，PBDB-T:N2200混合薄膜的电子和空穴迁移率变化

图6 全聚合物电池器件物理测试

掺杂和未掺杂TBAI, PBDB-T:N2200太阳能电池器件的(a)Jsc和(b)Voc随光强的变化关系

(c) 器件阻抗和(d)电容电压关系的测试结果

图7 上下图分别是在暗态环境下和在100 mW/cm2照射下，掺杂和未掺杂TBAI的PBDB-T:N2200太阳能电池电流密度随电压的关系

鸣谢

该论文的第一作者是苏州大学功能纳米与软物质研究院硕士研究生许亚龙，马万里教授以及袁建宇副研究员为本文的共同通讯作者。该工作得到了科技部重点研发计划，国家自然科学基金面上项目，江苏自然科学基金青年基金的支持。马万里教授团队近年来在全聚合物非富勒烯太阳能电池的材料设计，器件构筑，形貌表征，电荷动力学等方面报道了一系列原创性的工作，相关成果发表在Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., ACS Nano, Nano Energy等国际知名期刊上。

文章链接：Widely Applicable n-Type Molecular Doping for Enhanced Photovoltaic Performance of All-Polymer Solar Cells (ACS Appl. Mater. Interfaces, 2018, 10 (3), 2776-2784)

本文来自苏州大学功能纳米与软物质研究院马万里教授团队，特此感谢！

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