赵富稳&林禹泽AM：降低有机太阳能电池的陷阱密度，器件效率超过17%

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前言回顾

有机太阳能电池（OSCs）作为下一代新型太阳能电池，由于其具有重量轻、机械灵活性、半透明性和易于放大制造等优点，近年来受到了科学界和商业界的广泛关注。OSCs的核心部分是活性层，其通常由p型（给体）和n型（受体）有机半导体的混合物组成，并且混合物膜形成双连续互穿网络，以促进激子离解和电荷载流子传输。随着非富勒烯受体（NFAs）的问世，OSCs的功率转换效率（PCE）取得了巨大的进步。然而，OSCs的PCE仍落后于无机/混合太阳能电池，如晶体硅、砷化镓和混合钙钛矿，主要归因于前者受抑制的开路电压（VOC）、相对较大的能量损失、以及限制的短路电流密度（JSC）和填充因子（FF）、较低电荷载流子迁移率。其中能量损失大的主要原因在于OSCs中有机半导体的高陷阱密度（通常为1016-1018 cm-3），尤其是非辐射复合能量损失（ΔEnr）和较低的载流子迁移率。因此，降低活性层中的陷阱密度对于提高OSCs的PCE非常重要。

图1.分子结构、共混物形貌模拟

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文献简介

事实上，如何通过材料设计抑制陷阱态的相关研究较少。近日，中南大学赵富稳教授、中科院化学研究所林禹泽研究员团队通过将NFAs中给体核的π共轭部分从七环单元扩展到九环单元，成功降低了OSCs中的陷阱密度。研究人员制备了两种A-D-A型NFAs，即具有七环单元的BTPIC-4F和具有九环单元的TTPIC-4F。与BTPIC-4F相比，TTPIC-4F表现出更小的分子内二面角和更大的分子间π-π重叠，这有助于热膜和共混膜中获得更强的电子耦合和更高的结晶度。因此，基于D18:TTPIC-4F共混膜提供了更精细的形态，同时相应器件具有降低的陷阱密度，这有利于电荷载流子传输以获得更高的迁移率，并抑制电荷载流体复合以获得更低的ΔEnr。

图2.两种受体分子的堆积行为

研究结果显示，基于D18:TTPIC-4F的OSCs器件实现了17.1%的优良PCE，是目前基于A-D-A型NFAs器件的效率最高值之一。此外，基于D18:TTPIC-4F的器件的陷阱密度为4.02×1015 cm-3，是基于有机半导体器件的最低值之一，甚至可以与一些基于典型高性能无机/混合半导体的器件相媲美，这表明NFAs（尤其是A-D-A型）仍有很大的空间来进一步增强OSCs的PCE。

图3.不同器件光伏性能比较

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文献总结

综上，该工作中的结果表明扩展NFAs的中间核数目是抑制OSCs中陷阱态的有效方法，从而有助于获得高PCE。相关研究成果最新发表于国际顶级期刊《Advanced Materials》上，题为“Reducing Trap Density in Organic Solar Cells via Extending Fused Ring Donor Unit of A-D-A-Type Nonfullerene Acceptor for Over 17% Efficiency”。

本文关键词：有机太阳能电池，非富勒烯受体，共轭结构，陷阱密度。

转自：“有机光电前沿”微信公众号

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