Energy Environ. Sci.：集成材料和两个二元电池的优势——三元非富勒烯聚合物太阳能电池效率高于13.7 %

cc 6年前 (2018-06-20) 7448浏览

【前言】

近年来，溶液处理聚合物太阳能电池(PSCs)得到了快速发展，基于高效窄带供体和非嘌呤受体，PSCs的功率转换效率(PCE)已经超过13 %。增强光子收集和有源层的优化相位分离是实现高效PSCs的先决条件。三元策略已被证明是通过在供体中引入第三组分:受体体系作为活性层来实现性能改进的有效且简单的方法。大部分三元PSCs是根据所用材料的互补吸收光谱设计的。事实上，由于所用材料的能级不同，三元活性层中必然会形成一些电荷陷阱。如果第三组分在三元活性层中充当陷阱中心，三元策略将失效。激子解离和电荷传输的动力学过程除了对活性层进行充分的光子收集之外，还应该在决定PSCs的性能方面发挥重要作用。所用材料的相容性决定了活性层的相分离程度和动态过程，导致PSCs的光伏参数明显不同。因此，在选择第三组分时，除了考虑所用材料的光学性能外，还应考虑二元PSCs的光伏参数。多用途的非嘌呤受体具有较高的光子收集能力和易于调节的能级，这为制备高效的三元PSCs提供了更多的机会。同时，具有相似化学结构的非愈来愈多的受体，由于其略微定制的官能团，可能表现出良好的相容性，以及不同的光物理和光化学性质。为了获得高效的三元PSCs，应选择相容性好的非愈来愈多的受体，协同优化三元活性层的光子收集和相分离。

【成果简介】

近日，来自北京交通大学的张福俊教授、武汉大学及深圳大学的杨楚罗教授，和南京理工大学的唐卫华教授（共同通讯）联合在Energy Environ. Sci.发文，题为：Ternary nonfullerene polymer solar cells with efficiency ＞13.7% by integrating the advantages of the materials and two binary cells。研究人员用两种相容性好的小分子非核受体(INPIC-4F和MeIC1)和一种聚合物供体PBDB-T.制备了高效三元聚合物太阳能电池(PSCs)，INPIC-4F或MeIC1基二元PSCs的功率转换效率(PCE)分别达到12.55 %和11.53 %。在这些高效的二元PSC的基础上，研究人员在受体中含有50 wt%的MeIC1的三元PSC中实现了13.73 %的高PCE，同时改善了21.86 mA cm−2的短路电流(JSC)、0.88 V的开路电压(VOC)和71.39 %的填充因子(FF)。三元PSCs的PCE改善应主要归功于三元活性层优化的光子收集和膜形态。这一结果可为制备高效三元PSCs提供更深入的材料选择标准: (i)所用材料的互补吸收光谱和良好的相容性；(ii)对应的两个二元PSC的互补光伏参数。

【图文导读】

图. 1 器件结构和吸收光谱

(a)所用材料的化学结构；

(b)器件结构示意图；

(c)薄膜中所用材料的吸收系数；

(d)不同MeIC1含量共混膜的吸收光谱；

图. 2 PSCs性能表征

(a)不同MeIC1含量的PSCs在AM 1.5G光照下的J-V曲线，光照强度为100 mW cm−2；

(b)相应PSCs的EQE谱；

(c)分段计算的JSC与MeIC1含量的关系；

(d) PSCs的VOC与三元活性层中的MeIC1含量、所用材料的能级和示意性动态过程关系；

图. 3 PSCs性能表征

(a)二元和优化的三元PSCs的Jph–Veff曲线;

(b) JSC与光强的关系；

(c)挥发性有机化合物与光强的关系；

(d)空穴和电子迁移率与MeIC1含量的关系；

图. 4 共混膜GIXD分析

不同组分的MeIC1共混膜面外(a)和面内 (b)的GIXD曲线；

图. 5 共混膜结构分析

不同组分的MeIC1共混膜TEM图；

【总结】

研究人员用不同的受体制备了一系列高效的PBDB-T基PSC，以MeIC1或INPIC-4F为受体的二元PSC的PCEs分别达到11.53 %和12.55 %。在优化后的三元PSC中，其不仅继承了两种二元PSC的优点，而且PCE达到了13.73 %，是三元PSC中最高的。三元PSCs性能的提高应归功于增强的光子收集、优化的相分离和PBDB-T分子排列，以及通过在受体中掺入50wt %的MeIC1，导致三元活性层中更平衡的电荷传输。同时也应考虑相应二元PSCs的光带隙、能级、所用材料的相容性和光伏参数，作为制备高效三元PSCs的关键准则。

文献链接：Ternary nonfullerene polymer solar cells with efficiency >13.7% by integrating the advantages of the materials and two binary cells (2018, Energy Environ. Sci., DOI: DOI: 10.1039/c8ee01107a)

本文由材料人新能源学术组Z. Chen供稿，材料牛整理编辑。

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