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南科大Aung Ko Ko Kyaw&徐保民AEM:基于非稠环受体有机太阳能电池效率超过15.6%

发表时间:2023-01-14 16:50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/OYqMHzV1jaJXG8VExQ5lKA

导语:在高性能有机太阳能电池(OSCs)中,窄带隙稠环电子受体(FREAs)与中带隙聚合物给体的组合能够同时实现高光伏参数,包括短路电流密度(JSC)、填充因子(FF)和开路电压(VOC)。


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青岛能源所包西昌课题组AM:通过调节多维分子间相互作用,有机太阳能电池效率超过19%

国家纳米科学中心魏志祥课题组AM:原位吸收表征槽模涂层高性能大面积柔性有机太阳能电池

宁波材料所葛子义课题组ACS Energy Lett.:不对称非富勒烯受体助力三元有机太阳能电池效率超过18%

北京化工大学李韦伟课题组Angew:低温溶液加工钴-镧空穴传输层实现二元有机太阳能电池18.82%的高效率及稳定性

华南理工段春晖课题组Mater. Horiz.:用真正的绿色溶剂制备高效有机太阳电池


1.前言回顾


在高性能有机太阳能电池(OSCs)中,窄带隙稠环电子受体(FREAs)与中带隙聚合物给体的组合能够同时实现高光伏参数,包括短路电流密度(JSC)、填充因子(FF)和开路电压(VOC)。2017年,北京师范大学薄志山教授研究团队首次报道了非稠环受体(NFERAs),其平面构象可被分子内非共价键锁定,相关器件PCE达到9.6%,尽管NFREAs的发展仍落后于FREAs,但一些NFREAs仍可以实现高于15%的PCE,显示出实现高效率的巨大潜力。三元策略是提高OSCs性能的重要策略之一,利用两个NFREAs构建三元OSCs对于进一步提高基于NFREAs的器件效率具有巨大潜力,但仍具有挑战性。

除了集中在三元共混活性层上的努力之外,界面层如电子传输层(ETL)和空穴传输层(HTL)可以显著提高器件性能。其中,HTL的研究目前落后于ETL。最近,一种新型HTL,即具有空穴选择性自组装形成单层结构的2PACz,被广泛应用于高性能钙钛矿(有机)太阳能电池。尽管传统研究表明2PACz可以诱导更低的接触电阻、减少双分子复合损失,并改善活性层内的电荷传输,但尚未深入研究2PACz与活性层之间的相互作用。因此,应采用先进的表征方法来研究和揭示相邻层之间的相互作用机制,以充分了解有机HTL在三元OSCs中的作用。


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图1.相关分子的结构与性质


2.文献简介


有鉴于此,近日,南方科技大学Aung Ko Ko Kyaw副教授、徐保民教授等人报道了通过将两种设计的NFREAs(称为“BTIC-4F”和“C6C4-4Cl”)与给体聚合物PM6混合而获得的高效三元OSCs。客体受体BTIC-4F表现出与主体受体C6C4-4C1相似的化学结构,它们都具有吸电子的二酮中心单元、延伸的共轭π桥和卤代端基。然而,BTIC-4F具有相对于C6C4-4Cl的LUMO能级升高,这有助于提高三元OSCs的整体VOC。三元体系的互补吸收光谱以及从BTIC-4F到C6C4-4Cl的Förster共振能量转移(FRET)进一步提高了三元共混物中的激子利用效率,因而有效提高了JSC。此外,C6C4-4Cl和BTIC-4F之间的良好混溶性使得能够形成类似合金的相,从而提高了结晶性和良好的本体形态。此外,混合受体(C6C4-4Cl:BTIC-4F)共混物显示出比原始C6C4-4Cl和BTIC-4F更长的激子扩散长度(LD),这有利于抑制三元共混物中的非辐射电荷复合。


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图2.不同器件的光伏性能比较


研究结果显示,当PEDOT:PSS用作HTL时,最佳三元器件显示出14.48%的高PCE,显著高于基于PM6:C6C4–4Cl(13.2%)或PM6:BTIC-4F(11.7%)的二元器件。在保持相同的三元共混物的情况下,用2PACz替代PEDOT:PPS时,JSC和FF获得了同时增强,实现了15.62%的创纪录高PCE。研究人员通过进一步的表征结果显示,2PACz与活性层中的PM6的相互作用比PEDOT:PSS更强,这可以促进改进的分子填充和电荷提取。此外,2PACz可以在三元共混物中诱导垂直相分离,这一点可以通过XPS、膜深度相关光吸收光谱(FLAS)和飞行时间二次离子质谱(TOF-SIMS)测试得到证实。由于垂直相分离,PM6微晶的尺寸也增加,这有利于电荷传输。此外,对于优化的具有330 nm厚活性层三元OSCs器件,也可以实现超过13%的PCE,显示了大规模卷对卷制造的高潜力。值得注意的是,所制备的薄膜和厚膜器件的结果是基于NFREAs的OSCs中迄今为止最佳值。


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3.不同HTL下不同器件表征


3.文献总结


综上,该工作强调了在三元共混物中形成两个NFREAs的合金状相的重要性,以及2PACz在制造高效薄膜和厚膜三元OSCs中诱导垂直相分离的重要作用。相关研究成果最新发表于国际顶级期刊《Advanced Energy Materials》上,题为“Non-Fused Ring Acceptors Achieving over 15.6% Efficiency Organic Solar Cell by Long Exciton Diffusion Length of Alloy-Like Phase and Vertical Phase Separation Induced by Hole Transport Layer”。


本文关键词:有机太阳能电池,三元器件,非稠环受体,空穴传输层,厚膜器件。


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