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王凯&胡汉林Small:端基优化的小分子给体用于制备高效三元有机太阳能电池

发表时间:2022-12-13 16:54作者:知研光电材料来源:公众号【有机光电前沿】网址:https://mp.weixin.qq.com/s/KCGSCrWPvLlT-BuGwBcmow

导语:体异质结(BHJ)有机太阳能电池(OSCs)作为最有前景的光电转换技术之一,通过溶液处理化可以制备出重量轻、柔性大面积器件,具有广泛的商业应用。三元OSCs可以结合串联太阳能电池的优点,实现增强的光子捕获,同时保留单结器件的简单化处理。


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王凯&李刚&胡汉林JMCA:新型小分子给体可作为高效有机太阳能电池的第三组分

南开陈永胜&姚朝阳团队AFM:基于吡喃非富勒烯受体使有机太阳能电池具有高效率和低能量损失

华南理工黄飞&李宁团队Nat. Energy:低聚物受体提高有机太阳能电池的效率和稳定性

华南理工黄飞团队Angew:非富勒烯受体的聚氟烷基实现自分层的有机太阳能电池

常州大学宋欣等AEM:溶剂诱导反聚集策略调控阴极界面,获得大面积、高效率有机太阳能电池


1.前言回顾


体异质结(BHJ)有机太阳能电池(OSCs)作为最有前景的光电转换技术之一,通过溶液处理化可以制备出重量轻、柔性大面积器件,具有广泛的商业应用。三元OSCs可以结合串联太阳能电池的优点,实现增强的光子捕获,同时保留单结器件的简单化处理。合适的第三组分不仅可以拓宽光吸收,还可以促进电荷转移和/或减少载流子复合以增强短路电流密度(JSC)和填充因子(FF)。此外,第三组分还可以增强发光性能并抑制能量损失,促使开路电压(VOC)增加。更重要的是,合适的第三组分可以提高器件的稳定性,有利于早日实现商业化应用。

值得一提的是,三元OSCs中的大多数第三组分属于富勒烯和非富勒烯受体。最近,将小分子(SM)给体作为第三组分受到了广泛的关注,因为它们具有明确的分子结构、简单的合成路线和纯化过程。此外,SM给体通常具有较强的结晶度,这可能更适合优化三元共混膜的形态。然而,目前对于SM给体作为第三组分材料的开发仍然较少,这是因为能够同时满足能级和吸收的SM给体具有非常大的挑战性。


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图1.分子结构、光谱性质、能级排列


2.文献简介


有鉴于此,近日西北工业大学王凯教授、深圳职业技术学院胡汉林教授研究团队开发了两种新型SM给体BT-CN和BT-ER,二者具有相同的BDTT-SiCl中间核以及二辛基三噻吩π桥,唯一区别在于端基分别是氰基辛基酯和酯化若丹宁。研究人员将这两种SM给体作为第三组分制备三元OSCs,并研究了端基对器件最终性能的影响。研究发现,两种SM给体均表现出与PM6:Y6共混物的互补吸收和良好的混溶性。此外,这两种分子的能级与PM6的能级平行,因而三元器件的形态显示出改进的结晶度、更有利的填充面和良好的混合相。器件表征表明,引入SM给体作为客体成分增强了电荷传输和收集能力,同时抑制了载流子复合过程。


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图2.器件光伏性能比较


结果表明,所开发的三元器件与基于PM6:Y6二元器件相比,VOC、JSC和FF得到了协同增加,掺有20 wt.% BT-CN/BT-ER的三元OSCs分别实现了16.8%/17.22%的PCE。此外,当用L8-BO代替Y6时,基于两个SM给体的三元器件都可以达到超过18%的高PCE。其中,含15wt.% BT-ER的三元器件获得了18.11%的最佳PCE,同时VOC为0.908 V,JSC为26.72 mA cm-2,FF为74.67%,这些结果表明这两种SM给体普遍适用于高效PM6体系三元OSCs之中,具有广泛的应用前景。


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3.不同共混物的形貌表征


3.文献总结


综上,该工作开发出两种高性能的SM给体并将其应用于制备高效三元OSCs,也进一步探究了端基对于材料性能的影响。相关研究成果最新发表于国际顶级期刊《Small》上,题为“End-Group Engineering of Chlorine-Trialkylsiylthienyl Chain-Substituted Small-Molecule Donors for High-Efficiency Ternary Solar Cells”。


本文关键词:有机太阳能电池,小分子给体,结构设计,端基优化,形貌调节。


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