Nano Energy：三元小分子太阳能电池功率转换效率达到10.3％

【背景介绍】

小分子材料由于具有明确的分子结构，易于纯化和形态稳定等优点已经引起了人们的高度关注，其在制造高效溶液处理的有机太阳能电池的应用有着巨大潜力。

【成果简介】

近日，北京交通大学张福俊教授和桂林电子科技大学张坚教授及国家纳米中心的刘新风研究员（共同通讯）等人在二元SMSCs基础上进行优化，选择小分子DIB-SQ作为制备三元SMSCs的第三组分。在给体中具有6wt％DIB-SQ的三元SMSCs获得了10.3％的功率转换效率。由于短电流密度（J_SC）明显增加到15.44mA/cm²，填充因子（FF）增加到73.8％，PCE达到了10％左右。DIB-SQ的主要贡献可以概括为在长波长范围内增强光子收集和优化相分离。并报道了利用截止滤光片择光的方法，研究了三元体系中载流子输运的动力学过程，相关内容以题为“Ternary Small Molecule Solar Cells Exhibiting Power Conversion Efficiency of 10.3%”发表在了Nano Energy上。本文的第一作者为张苗博士和王健博士。

【图文导读】

图1 材料的器件结构和分子结构示意图及吸收光谱

（a）参考太阳光辐射光谱，纯DIB-SQ膜和混合物BTR：PC ₇₁ BM膜的吸收光谱

（b）材料的器件结构和分子结构示意图

图2 SMSCs的J-V特性等分析

（a）所有SMSCs的J-V特性

（b）参考SMSCs和优化的三元SMSCs的PCE计数的统计直方图，拟合曲线表示PCE正态分布

（c）所有SMSCs的EQE光谱

（d）具有不同DIB-SQ含量的共混膜的吸收光谱

图3 TRPL光、PL光谱分析

（a）通过监测700nm光发射的BTR，DIB-SQ膜和具有6wt％或15wt％DIB-SQ的BTR: DIB-SQ共混膜的TRPL光谱

（b）DIB-SQ薄膜的吸收光谱和纯BTR薄膜的PL光谱

（c）在580nm光激发下，BTR膜、DIB-SQ膜和具有不同DIB-SQ含量的共混膜BTR：DIB-SQ的PL光谱

（d）在550nm光激发下，BTR，DIB-SQ溶液和具有不同DIB-SQ体积比的共混物BTR：DIB-SQ溶液的PL光谱

图4 三元共混膜

参考BTR的（a）OOP和（b）的IP线切割：PC₇₁ BM膜和具有6wt％或15wt％DIB-SQ的三元共混膜

图5 具有不同DIB-SQ含量共混膜的TEM图像

图6 在暗处的（d³/V²） - （V/d）^0.5特性

分别具有0wt％，6wt％，9wt％和100wt％DIB-SQ的（a）仅孔和（b）仅电子器件装置在暗处的（d³/V²） - （V/d）^0.5特性

图7 J-V特性曲线等分析

（a）参考SMSCs的J-V特性曲线

（b）使用一组中性滤光器在100mW / cm²照明下获得的不同光强度的优化三元SMSCs

（c）J_SC和V_OC对SMSCs和优化的三元SMSCs光强度的依赖性

（d）所有SMSCs的J_ph -V_eff特性曲线

图8 三元活性层示意图

（a）三元活性层示意图

（b）使用材料的能级

图9 二元和三元SMSC在670 nm截止滤光片覆盖下的J-V曲线及EQE光谱分析

（a）在标准光源下用670nm截止滤光片覆盖的二元和三元SMSCs的J-V曲线

（b）用670 nm截止滤光片覆盖的所有SMSCs的相应EQE光谱，插图是截止滤光片的透射光谱

图10 瞬态吸收光谱（TAS）

（a）供体中二元BTR：PC₇₁ BM，（b）DIB-SQ：PC₇₁ BM和（c）具有15wt％ DIB-SQ的三元BTR：DIB-SQ：PC₇₁ BM混合膜瞬时吸收光谱（TAS）

（d)二元BTR：PC₇₁ BM共混膜和具有15wt％ DIB-SQ的三元BTR：DIB-SQ：PC₇₁ BM混合膜在供体中的瞬态吸收动力学分析

图11 三元SMSCs的稳定性分析

条件分别为没有任何封装存储在空气中，高纯N₂填充的手套式操作箱在有/无80°C连续加热

【总结】

众所周知，形态优化对于获得高效的SMSCs是很大的挑战。本研究成果将基于BTR为给体的小分子太阳能电池(SMSCs)的功率转换效率提高到了10.3%，证明三元策略是提高小分子太阳能电池(SMSCs)性能的有效方法。

文献链接：Ternary Small Molecule Solar Cells Exhibiting Power Conversion Efficiency of 10.3%（Nano Energy,2017,DOI:10.1016/j.nanoen.2017.07.044）

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