Adv. Mater.：转换效率高达12.2%的三元聚合物太阳能电池

【引言】

高效率聚合物太阳能电池需要最大限度地利用太阳光谱。但是有机半导体的一个最大缺陷在于光谱吸收范围窄。为了实现聚合物太阳能电池的宽光谱覆盖，通常有两种途径：一是分别吸收短波长光和长波长光的叠层有机太阳能电池；二是在直接在给体-受体活性层中引入吸收光谱互补的第三种组分，形成三元聚合物太阳能电池。相比于叠层太阳能电池器件苛刻的制备工艺，三元聚合物太阳能电池以其类似于传统体异质结太阳能电池器件的制备工艺更具优势。但是，三元聚合物太阳能电池到目前为止并没有取得超过二元体系的最高效率，主要原因在于活性层形貌有效控制的难度。以往的三元聚合物太阳能电池一般是以PCBM为受体材料，结合两种给体的模式；极少有一种给体结合二种受体的聚合物太阳能电池的组合模式见诸报道。那么，一种给体结合两种受体的聚合物太阳能电池能否通过能级和光谱匹配，以及器件工艺优化后获得高光电转化效率呢？

【成果简介】  

中国科学院化学研究所的侯剑辉课题组利用最常用的受体材料Bis[70]PCBM覆盖380-550nm范围内太阳吸收光谱的特点，有效弥补了单前常用窄带隙非富勒烯受体材料的吸收光谱的缺陷；设计了最高效率为12.20%的单节聚合物太阳能电池，创造了单节聚合物太阳能电池的效率记录。

【图文简介】

图1  材料的分子结构、吸收光谱与能级排列图

(a) 给体材料、受体材料以及阴极界面材料的分子结构

(b) 给体材料与受体材料的吸收光谱

(c) 给体材料与受体材料的能级排列

图2  薄膜的光致发光光谱和二组分器件的光伏曲线

(a) 光致发光光谱

(b) 二组分聚合物太阳能电池器件的J-V曲线

表1 优化Bis[70]PCBM质量分数的三元聚合物太阳能电池的光伏性能

图3 第三组分Bis[70]PCBM含量的变化对光伏性能参数的影响

(a)三种比例下的J-V曲线

(b)三种比例下的外量子效率曲线

(c)三种比例下的外量子效率曲线在不同波段偏差的比较

(d)最优比例下(1:1:0.2)100个电池测试结果得到的效率分布

(e)第三组分Bis[70]PCBM含量对电池开路电压的影响

(f)三种比例下的光生电流-有效电压曲线

图4  三种比例下的活性层形貌对比

(a)(b)(c)三种比例下的原子力显微镜表面形貌图，引入Bis[70]PCBM作为第三组分对表面粗糙度的影响不大

(d)(e)(f)三种比例下的原子力显微镜相图，引入Bis[70]PCBM没有破坏活性层纤维状结构

(g)(h)(i)三种比例下的透射电子显微镜形貌图，引入Bis[70]PCBM后没有改变活性层形貌

【小结】

通过向二元非富勒烯体系中引入第三种具有短波长吸收特性的受体材料Bis[70] PCBM，中科院侯剑辉课题组的研究人员成功将单层有机太阳能电池的光电转换效率提高到了12.20%这一新记录。效率提高的原因一方面在于380-550nm这一波段太阳光吸收的覆盖，另一方面原因在于光生激子扩散效率的增加。作者分析认为Bis[70] PCBM低的电子迁移率是提高该类三元聚合物太阳能电池效率的主要瓶颈，因此这个最高的效率仍然有进一步提高的空间。

文献链接: Ternary polymer solar cells based on two acceptors and one donor for achieving 12.2% efficiency. (Adv. Mater., 2016，DOI:10.1002/adma.201604059)

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