有机太阳能电池8-9月捷报频传——都有哪些突破进展？

Nature：非富勒烯有机太阳能电池中电荷复合的研究

美国加州大学生圣芭芭拉分校的Paul Erhart，比利时的蒙斯埃诺大学的David Beljonne以及英国剑桥大学的Alexander J. Gillett和Richard H. Friend等人研究发现使用非富勒烯受体（NFA）的有机太阳电池体系中，电荷复合是通过形成非辐射NFA的三重态激子进行的。在基准PM6:Y6混合物中，该比例达到90%，开路电压降低60 mV。而通过设计NFA三重态激子和自旋-三重态电荷转移激子之间的大量杂化可以防止电荷通过这种非辐射路径进行复合。这项工作为具有20%或更高PCE的有机太阳能电池提供了设计途径。相关研究以“The role of charge recombination to triplet excitons in organic solar cells” 为题目，发表在Nature上。DOI: 10.1038/s41586-021-03840-5

图1 三重态形成路径及活性层分子结构

AM：通过光分布控制实现19.6%效率的串联有机太阳能电池

尽管实现更高有机太阳能电池（OSC）性能的潜力更大，但串联OSC的最高能量转换效率（PCE）仍落后于最先进的单结电池。化学所侯剑辉和苏州大学张茂杰等人通过优化具有低电压损失的光敏层，获得了高效双结串联OSC电池，同时开发一种有效的方法来调整光场分布。优化后的串联电池实现了19.64%的 PCE，这是 OSC 领域的最高结果，并被美国国家计量院认证为19.50%。相关研究以“A Tandem Organic Photovoltaic Cell with 19.6% Efficiency Enabled by Light Distribution Control”为题目，发表在AM上。DOI: 10.1002/adma.202102787

图1 活性层分子结构及性质

AM：效率为19%的单结有机太阳能电池

提高能量转换效率（PCE）对于拓宽有机太阳能电池（OSC）的应用非常重要。化学所侯剑辉等人将材料设计与三元混合策略相结合，实现了19.0%的单结OSC电池的最大PCE（认证效率为 18.7%）。改进的光单元化、级联能级对齐和增强的分子间堆积实现了0.879 V的开路电压、26.7 mA cm^-2的短路电流密度和0.809的填充因子。相关研究以“Single-Junction Organic Photovoltaic Cell with 19% Efficiency”为题目，发表在AM上。DOI: 10.1002/adma.202102420

图2 活性层分子结构及性质

AM：具有混合平面/体异质结的18.5%效率有机太阳能电池

给体:受体异质结已被证明是在有机太阳能电池（OSC）中实现强结合激子解离的最成功方法。建立具有选择性载流子传输和抑制激子复合的理想架构对于提高光伏效率非常重要，但仍然是一个挑战。宁波材料所葛子义和化学所侯剑辉等人通过定制混合平面/体结构，制造出低能量损失（E_loss）的高效OSC。该定制结构有利于获得增强的电荷传输、提取以及抑制电荷复合。因此，非辐射E_loss降低了25 meV，并且最佳OSC获得了18.5%的高效率（认证为18.2%）。相关研究以“18.5% Efficiency Organic Solar Cells with a Hybrid Planar/Bulk Heterojunction”为题目，发表在AM上。DOI: 10.1002/adma.202103091

图3 器件结构及活性层分子

AFM：采用无界面层修饰的氯化ITO阳极的非富勒烯聚合物太阳能电池实现18.60%效率

尽管非富勒烯聚合物太阳能电池（OSC）中不同的高性能光伏系统取得了巨大的发展，但提高其性能的要求仍然很高。武汉大学闵杰等人提出了一种有效且兼容的策略，即二元溶剂氯化铟锡氧化物（ITO）阳极，来提高最先进光敏系统的器件性能。器件效率相对于基于ITO/PEDOT:PSS界面层的器件提高了3.6-6.2%，这验证了溶剂改性ITO阳极用于无PEDOT:PSS界面层OSC的巨大潜力。相关研究以“PEDOT:PSS-Free Polymer Non-Fullerene Polymer Solar Cells with Efficiency up to 18.60% Employing a Binary-Solvent-Chlorinated ITO Anode”为题目，发表在AFM上。DOI: 10.1002/adfm.202106846

图4 器件处理过程及器件部分表征

AFM：在可见光范围内具有窄光子捕获的宽带隙聚合物实现高效的半透明有机太阳能电池

半透明有机太阳能电池（OSC）由于其特殊的应用场景最近受到了广泛关注。国家纳米科学中心丁黎明和北京交通大学张福俊等人采用在可见光范围内具有窄光子捕获的宽带隙聚合物D18和具有近红外光子捕获的小分子N3构建了半透明OSC。具有10 nm Ag的半透明OSC实现了2.90%的最高光利用效率，能量转化效率为12.91%，平均可见光透射率（AVT）为 22.49%，这是已报道的半透明OSC的最佳性能之一。相关研究以“Wide Bandgap Polymer with Narrow Photon Harvesting in Visible Light Range Enables Efficient Semitransparent Organic Photovoltaics”为题目，发表在AFM上。DOI: 10.1002/adfm.202107934

图5 不同优化条件器件性能

EES：通过具有分层分支结构的纳米级相分离实现17%效率的全小分子有机太阳能电池

对于全小分子的有机太阳能电池 (SM- OSC)，在活性层中获得纳米级双连续网络结构非常具有挑战性，因此它们的能量转换效率（PCE） 仍然落后于基于聚合物的OSC。国家纳米科学中心魏志祥和化学所侯剑辉等人构建了基于 B1:BO-2Cl:BO-4Cl 三元体异质结层的高效SM-OSC。具有分级分支结构的纳米级双连续互穿网络可以在具有最佳三元组成的异质结层中完全演化。最佳三元电池的PCE为17.0%（经认证为16.9%），填充因子为0.78，这是目前SM-OSC获得的最高值。相关研究以“17% efficiency all-small-molecule organic solar cells enabled by nanoscale phase separation with a hierarchical branched structure”为题目，发表在EES上。DOI: 10.1039/d1ee02124a

图6 活性层形貌及器件性能

AM：可挥发固体添加剂辅助处理使有机太阳能电池的效率超过18.8%，填充因子超过80%

控制有机半导体的自组装实现在体异质结活性层中形成成熟的纳米级相分离对于构建高性能有机太阳能电池（OSC） 至关重要，但也具有挑战性。特别是，非富勒烯受体和P型有机半导体给体之间相似的各向异性共轭结构增加了操纵它们聚集以实现适当相分离的复杂性。苏州大学崔超华和国家纳米科学中心张建齐等人利用挥发性固体添加剂二噻吩并 [3,2-b:2',3'-d] 噻吩（DTT）和 1-氯萘（CN）辅助活性层制备。具有高结晶度的可挥发固体添加剂DTT可以在活性层薄膜浇铸过程中限制非富勒烯受体的过度自组装，然后在热退火下使相分离和分子堆积的细化。由CN和DTT双重添加剂处理的三元OSC实现了高能量转换效率为 18.89%，填充因子为 80.6%。该效率是目前聚合物太阳能电池的最高效率。相关研究以“Volatilizable Solid Additive-Assisted Treatment Enables Organic Solar Cells with Efficiency over 18.8% and Fill Factor Exceeding 80%”为题目，发表在AM上。DOI: 10.1002/adma.202105301

图7 器件结构及性能

本文由景行供稿。

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