颜河&马伟团队Joule:新型非富勒烯受体助力高外部量子效率和填充因子的室内有机光伏

发表时间：2021-05-13 16:05作者：知研光电

1.前言

在各种类型的光伏器件中，有机光伏（OPV）具有许多吸引人的优点，例如生产成本低、环境友好、光吸收性能易于调节、可大面积制备等，是室内光伏应用的理想选择。然而，室内OPV器件的分子设计和器件优化与室外OPV有很大的不同，这是因为室内光源的典型发射光谱范围为450至750 nm，与全球AM 1.5G光谱有很大的不同。为了实现高性能的室内OPV，相关器件的活性层需要具有与室内光源匹配的吸收光谱。其次，由于入射光强度较低，在室内照明条件下，OPV器件的载流子密度要低得多，因此，漏电流和陷阱辅助复合对性能的影响更为显著，必须要求最小化。最后，高外部量子效率（EQE）和低电压损耗对于将入射光子转换为电子和最小化能量损耗也是非常有必要的。

目前大多数室内OPV体系只能在1000 lux的室内光照下实现低于0.85 V的开路电压（VOC），这就极大地限制了光电转换效率（PCE）的提高。这些体系的低VOC是因为活性层材料的吸收光谱匹配程度较低或者器件较大的电压损耗。虽然已经报道了几种基于受体分子如IO-4Cl和ITCC的室内OPV体系具有高VOC，但是这些材料的EQEs却相对较低，这可能是由于D/A界面的形态和电荷分离不够理想所导致。因此，开发高性能同时具有低电压损耗、高匹配EQE谱、低漏电流、低陷阱辅助复合的室内OPV材料具有重要意义。

2.简介

基于以上的因素，近日，香港科技大学颜河教授研究团队与西安交通大学马伟教授研究团队合作设计合成了一种新型A-D-A型非富勒烯受体（NFA）：FCC-Cl。该分子主要由芴双环五噻吩核和TIC-Cl端基所构成，光学带隙（Egopt）为1.71 eV，在725 nm处仍显示吸收。当将FCC-Cl受体与两种给体聚合物（D18和PM6）匹配时，所制备的器件在一个太阳光条件下，PCE可以达到13%以上。由于FCC-Cl的高吸收系数和强结晶性，基于D18:FCC-Cl器件的EQE高达85%，填充因子（FF）高达80%，此外，电压损耗和电荷复合程度也相对较低。

研究人员进一步将该体系应用于室内OPV中。最终结果显示，在500 lux的室内光照条件下，2600 K发光二极管可以获得高达28.8%的PCE，这是目前报道的室内OPV的最高效率之一。此外，研究人员还证明了基于PM6:FCC-Cl器件性能对于活性层厚度的不敏感性。当活性层厚度从100 nm增加到300 nm时，基于PM6:FCC-Cl器件的PCE仅降低了5%（从27.9%降低到26.5%），这一优点对于OPV器件的大规模生产具有重要意义。

3.总结

综上，该工作为开发高性能的室内OPV器件提供了有效的材料设计和指导，并证明了其在室内OPV实际应用中的可行性。相关研究成果现已发表在Cell Press能源类旗舰期刊《Joule》上，题为“A highly crystalline non-fullerene acceptor enabling efficient indoor organic photovoltaics with high EQE and fill factor ”。

本文关键词：有机光伏，OPV，外部量子效率，电压损耗，FCC-Cl，PM6，D18。

4.文中所涉及材料