南方科技大学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%

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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。

图1.相关分子的结构与性质

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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。

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。

图3.不同HTL下不同器件表征

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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。

转自：“有机光电前沿”微信公众号

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