国科大蔡芸皓&张昕&黄辉Adv. Mater：由低聚受体实现的具有300nm厚活性层、效率超过18%的三元有机太阳能电池

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前言回顾

有机太阳能电池（OSCs）因其固有的灵活性、成本效益和溶液可加工性而受到光伏研究界的关注。在过去的几年里，新的分子剪裁和复杂的器件工程使功率转换效率（PCE）急剧上升。然而，尽管实现了高效率，但目前还未能够转化为工业高通量生产。对于实验室中最先进的OSC器件，活性层的最佳厚度通常都被限制在100-120nm的范围内，增加活性层厚度通常会导致效率的显著损失。此外，在放大制造过程中，获得无缺陷和均匀的薄膜是不容易的，并且活性层的厚度一般也会达到数百纳米。因此，开发具有高厚度偏差的高效OSCs是实验室合成光伏器件转到工厂制造的先决条件。

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文献简介

基于此，中国科学院大学材料科学与光电子技术学院的蔡芸皓、张昕和黄辉等人采用三元策略，将低聚物DY-TF作为客体组分掺入PM6:L8-BO系统中。主链中的S··F分子内非共价相互作用使DY-TF具有较高的平面性。在添加DY-TF后，共混物的结晶度得到有效改善，导致电荷载流子迁移率增加，这对厚膜器件的制造是很有效的。结果表明，基于PM6:L8-BO:DY-TF的薄膜器件（110nm）显示出19.13%的功率转换效率（PCE），并且当有源层的厚度增加到300nm时，实现了18.23%的非凡PCE（认证为17.8%），开路电压（Voc）为0.884V，短路电流（Jsc）为27.80 mA cm-2，填充因子（FF）为74.18%，这是迄今为止报道的300nm厚OSCs的最高效率。同时，进一步将厚度增加到500nm，仍然产生了15.91%的高PCE。此外，大面积（1 cm2）和刮刀（DB）涂覆的厚膜（300nm）OSCs分别提供15.49%和17.38%的高PCE。这项工作为构建具有高厚度公差的高效OSCs带来了新的合成方法，显示出大面积太阳能电池卷对卷印刷的巨大潜力。

图1. (a) 供体和受体材料的化学结构; (b) PM6、L8-BO和DY-TF薄膜的紫外-可见吸收光谱; (c) PM6:L8-BO、PM6:DY-TF和PM6:L8:BO:DY-TF薄膜的吸收系数; (d) PM6、DY-TF和L8-BO的能级; (e) PCE与活性层厚度的关系图; (f) 具有300nm厚活性层的二元和三元器件的J–V曲线; (g) 具有300nm厚活性层的二元和三元器件的EQE曲线

图2. (a) PM6:L8-BO; (b) PM6:DY-TF和 (c)厚度为300nm的PM6:L8-BO:DY-TF膜的TA光谱的2D彩色图以及 (d-f) 在不同时间延迟下记录的相应TA光谱; (g) 在共混物和纯受体膜中在1550nm处探测衰变动力学; (h) 二元和三元厚膜在630nm处探测到Ns分辨衰变动力学; (i) PM6、二元和三元厚膜的时间分辨光致发光光谱

图3. (a) AFM高度图像; (b)2D GIWAXS图案; (c) IP（虚线）和OOP（实线）提取的相应二元和三元共混物的线切割轮廓; (d) 来自ToF-SIMS测量的PM6:L8-BO和PM6:L8-BO:DY-TF膜的CN分布

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文献总结

总之，该课题组成功构建了一系列具有优异厚度公差的高效三元OSCs。通过选择PM6:L8-BO作为宿主二元体系，以低聚物DY-TF作为第三组分。结果表明，引入第三组分后，三元共混物的结晶度和分子堆积均得到了有效改善。总体而言，增强的电荷传输、抑制的复合和促进的激子离解使三元OSCs光伏性能有所提高。值得注意的是，该课题组在300nm厚的PM6:L8-BO:DY-TF器件中实现了18.23%的冠军PCE，且该值是相应薄膜器件（110nm）值的95.3%，而500nm厚的器件也表现出15.91%的PCE。更重要的是，大面积（1cm2）和刀片涂覆的厚膜OSCs分别提供了15.49%和17.38%的优异PCE。这项工作消除了随着活性层厚度的增加，从而导致的效率的巨大变化，这也预示着OSCs的实际生产将有一个更光明的未来。相关研究成果最新发表于国际知名期刊《Advanced Materials》上，题为“由低聚受体实现的具有 300 nm 厚活性层、效率超过 18% 的三元有机太阳能电池”。

本文关键词：有机太阳能电池；三元混合物；低聚物；厚度公差；转换效率

转自：“有机钙钛矿光电前沿”微信公众号

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