Advanced Materials：1.3 V的高开路电压和0.16 V的低非辐射电压损失的可溶液处理有机太阳能电池

【引言】

在过去的十年中，可溶液处理的本体异质结（BHJ）有机太阳能电池（OSC）的光电转换效率（PCEs）虽然达到了16％以上，却仍不能和无机或钙钛矿太阳能电池相比。通常，OSC的效率与短路电流密度（J_sc）、开路电压（V_oc）和填充因子（FF）成正比。OSC的J_sc和FF有了显著的提升，但是V_oc却被限制在0.8-0.9 V之间。这是由于OSC中的电压损耗（V_loss）较高，通常大于0.6 V，而钙钛矿太阳能电池的V_loss却可以低于0.4 V。OSC中的总电压损耗来源于三部分ΔE_CT、ΔV_rad和ΔV_non-rad，其中E_CT是电荷能量-转移（CT）状态；ΔE_CT是单线态激发态与CT态之间的能量差。对于非富勒烯OSC中的有效激子分离，ΔE_CT可能极低（<0.05 eV）；ΔV_rad是在各种太阳能电池中辐射复合引起的不可避免的电压损失。另外，ΔV_non-rad也是OSC中大电压损耗的主要原因，降低ΔV_non-rad，对于改善V_oc中起着至关重要的作用。OSC的ΔV_non-rad通常大于0.20 V，在电致发光外部量子效率（EQE_EL）在10^-5-10⁻⁷内。OSC中EQE_EL较低的主要原因可是存在于活性层中电子给体与受主之间的界面上形成的界面CT状态。对于无机太阳能电池或钙钛矿太阳能电池，ΔV_non-rad可以低于0.1 eV。因此，为OSC设计更好的非富勒烯受体，研究分子结构与V_loss之间的关系至关重要。本文通过氯原子取代噻吩侧链和噻吩π桥的策略设计高性能聚合物供体。

【成果简介】

近日，中科院国家纳米科学中心的周二军研究员、北京航空航天大学的孙艳明教授以及东华大学的马在飞特聘研究员（通讯作者）等人采用两对D-π-A聚合物（PBT1-C/PBT1-C-2Cl和PBDB-T/PBDB-T-2Cl）作为电子给体，宽带隙分子BTA3作为电子受体。这些混合膜的电荷转移态能量（E_CT）高达1.70-1.76 eV，单重态激发态和电荷转移态之间的能量差异很小（ΔE_CT≈0.1 eV）。此外，将氯原子引入苯并二噻吩（BDT）单元的π桥或侧链后，在基于PBTI-C‐2Cl和PBDB‐T‐2Cl的OSC中，电致发光外部量子效率高达1.9×10^-3和1.0×10^-3，对应的ΔV_non-rad为0.16和0.17 V，低于不含氯原子的类似聚合物的OSC的ΔV_non-rad（对于PBT1-C和PBDB-T，分别为0.21和0.24 V），V_oc高达1.3 V。基于PBT1-2Cl：BTA3的OSC中获得的ΔV_non-rad为0.16 V和V_oc为1.3 V。这是已报道的可溶液处理OSC的ΔV_non-rad最低值。相关成果以“Solution-Processed Organic Solar Cells with High Open-Circuit Voltage of 1.3 V and Low Non-Radiative Voltage Loss of 0.16 V”发表在Advanced Materials上。

【图文导读】

图 1 OSCs供体和受体材料的结构表征

（a）PBT1-C、PBT1-C-2Cl、PBDB-T、PBDB-T-2Cl和BTA3的分子结构；

（b）混合膜的归一化紫外-可见吸收光谱；

（c）循环伏安法测量的给体和受体材料的能级图。

图 2 OSCs的光伏性能表征

（a）在太阳光模拟下的AM 1.5G辐照下的J-V曲线；

（b）基于不同混合膜的OSCs的EQE光谱。

图 3 PBT1-C、PBT1-C-2Cl、PBDB-T和PBDB-T-2Cl混合膜的性质

（a-d）PBT1-C：BTA3（a），PBT1-C-2Cl：BTA3（b），PBDB-T：BTA3（c）和PBDB-T-2Cl：BTA3（d）的TEM图像；

（e）混合物的GIWAXS衍射图的一维散射积分曲线。

图 4 纯BTA3和混合膜的PL和TRPL光谱分析

（a）在400 nm激发的纯BTA3和混合膜的相对PL光谱；

（b）混合膜和纯BTA3膜的归一化TRPL光谱。

图 5 电池的sEQE和EL光谱图

【小结】

本文制备了基于BTA3受体和两类聚合物供体（氯化和非氯化聚合物）的OSC，系统地研究氯化对OSC能量损失的影响。经氯取代的聚合物和BTA3共混物获得了高达10^-3的EQE_EL值。基于PBT1-C-2Cl：BTA3共混物的OSC获得了0.16 V的超低ΔV_non-rad，这是迄今为止溶液处理的OSC报道的最低值。此外，与基于PBT1-C/PBDB-T的电池相比，基于PBT1-C-2Cl/PBDB-T-2Cl：BTA3的OSC的总电压损耗更低（0.52 V）：BTA3共混（> 0.60 V）。结果表明，在不同位置的D-π-A共轭聚合物（π桥或D单元的侧链）中进行氯化是降低ΔV_non-rad的简单有效的策略。更重要的是，通过采用能够提供高E_CT和低ΔE_CT的材料组合，能够有效降低OSC的ΔV_non-rad，甚至可以与无机或钙钛矿太阳能电池相比。

文献链接Solution-Processed Organic Solar Cells with High Open-Circuit Voltage of 1.3 V and Low Non-Radiative Voltage Loss of 0.16 V（Advanced Materials DOI: 10.1002/adma.202002122）。

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