北京大学Adv. Mater.：具有强近红外吸收的六环非富勒烯受体用于9.77％效率的半透明有机太阳能电池

【背景介绍】

太阳能电池作为通过光伏效是将无穷无尽的太阳能转化为电力的技术，对大量消耗化石燃料造成的能源危机，温室效应和环境污染是一个有希望解的长期解决方案。有机太阳能电池（OSCs） 由于它们具有制备容易，成本低，重量轻，机械灵活性好，成为半透明器件的能力等优点引起了学术界和工业界的高度关注。长时间以来，富勒烯衍生物由于其高电子迁移率，高电子亲和力和各向同性电荷传输成为OSC中主要的电子受体材料。

【成果简介】

近日，来自北京大学的占肖卫教授（通讯作者）等人设计合成了基于强推电子基团的二联噻吩并噻吩并[3,2-b]噻吩两侧的吸电子收敛基团1,1-二氰基亚甲基-3-二氢茚酮的六环电子受体（IHIC）并应用于半透明有机太阳能电池（ST-OSCs）。IHIC显示强烈的近红外吸收，消光系数高达1.6×10⁵m^-1cm^-1，窄的光学带隙为1.38eV，电子迁移率高达2.4×10^-3 cm ² V^-1 s^-1。基于窄带隙聚合物供体PTB7-Th和窄带隙IHIC受体的共混物的ST-OSCs表现出9.77％的功率转换效率，平均可见光透射率为36％并有优异的器件稳定性，这种效率远远高于文献中报道的任何单结和串联ST-OSC。

【图文导读】

图1 IHIC的吸收光谱和循环伏安图

a）IHIC在氯仿和薄膜中的吸收光谱

b）IHCN膜在CH₃CN/0.1m [^_nBu₄N]⁺[PF₆]^- 在100mV s ^-1下的循环伏安图，水平刻度是指Ag/AgCl电极

图2 J-V特性及EQE光谱

a）J-V特性

b）在100mW cm^-2时，AM 1.5G的照明下最佳ST-OSC的EQE光谱

图3 在文献和本文中报道的一些代表性单连接ST-OSC的PCE与ACT的情况

9.77％的PCE远高于最佳单结半透明器件（6.22％），甚至高于最佳串联半透明器件（8.02％）

图4 半透明器件的可见透射光谱

具有ITO / ZnO / PTB7-Th：IHIC（100nm）/ MoO3 / Au（1nm）/ Ag（15nm）结构的优化半透明器件的可见透射光谱，可见区域（370-740 nm）中优化设备的透射光谱，并且该装置显示≈36％的AVT，确保相当大的透明度

图5 Jph与Veff特性及优化装置的JSC与光强度

a）Jph与Veff特性

b）优化装置的JSC与光强度

图6 PTB7-Th：IHIC的2D GIWAXS和 GISAXS模式分析

a）具有和不具有CN的PTB7-Th：IHIC的2D GIWAXS模式

b）沿着平面外和平面方向的相应GIWAXS剖面

c） 具有和不具有CN的PTB7-Th：IHIC的2D GISAXS模式

d）沿着平面方向的相应的GISAXS型材和最佳配件

【总结】

本文使用窄带隙聚合物供体PTB7-Th和窄带隙受体IHIC制造非富勒烯ST-OSC，该活性层表现出强的近红外吸收，但弱的可见光吸收，因此可以充分利用NIR光以达到高效率，同时保持高的可见透明度。ST-OSCs的高效率，良好的透明度和极好的稳定性使它们有望在BIPV中实现商业应用。

文献链接：Fused Hexacyclic Nonfullerene Acceptor with Strong Near-Infrared Absorption for Semitransparent Organic Solar Cells with 9.77% Efficiency（Adv. Mater.,2017,DOI:10.1002/adma.201701308）

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