四川大学&西安交通大学Adv. Mater. : 绿色溶剂制备的非富勒烯有机太阳能电池效率超过13%

【引言】

有机太阳能电池作为一项有前景的技术已经受到广泛关注。富勒烯衍生物曾经作为受体在有机太阳能电池中广泛使用。然而，其固有的缺陷阻碍了有机太阳能电池的商业化发展。因此，非富勒烯替代物成为了研究热点。为了得到高性能的非富勒烯有机太阳能电池，与活性层材料对光进行互补吸收是前提条件。另一方面，还需要考虑到有利的能级位置，因为它能够影响相关的激子分离和能量损失。发展优异的宽禁带聚合物供体对于进一步提高非富勒烯有机电池的器件性能是十分重要的。除了材料的设计之外，形貌控制和器件的设计对提高有机太阳电池的效率也是有益的。已经有很多方法用于改善材料的形貌，如溶剂的类型、添加剂的选择、后处理等。然而在大多数情况下，研究者经常使用卤化溶剂，这对人类的健康和环境是不利的。因此，仅仅使用单一并且对环境有益且不使用任何后处理的方式制备高性能的有机太阳能电池是非常有意义的。

【成果简介】

近日，四川大学彭强教授和西安交通大学马伟教授（共同通讯作者）在Adv. Mater.上发表最新研究成果“Realizing Over 13% Efficiency in Green-Solvent-Processed Nonfullerene Organic Solar Cells Enabled by 1,3,4-Thiadiazole-Based Wide-Bandgap Copolymers”。在该文中，研究者在1，3，4-噻二唑（TDZ）和苯并[1,2-b:4,5-b′]二噻吩（BDT）的基础上合成了两种新型的宽禁带共聚物（PBDT-TDZ和PBDTS-TDZ）。通过使用单一绿色溶剂邻二甲苯，以PBDTS-TDZ:ITIC基础制备的器件具有大的开路电压（1.10 V）和极低的能量损失（0.48 eV）。在没有任何添加剂和后处理的情况下，电池器件的短路电流密度为17.78 mA cm^-2、填充因子为65.4%，效率为12.80%。当采用串联的器件构型时，器件的效率进一步提高到13.35%，这是目前为止文献报导的串联有机太阳电池的最高值。

【图文导读】

图1 共聚物和ITIC的基本性质

（a）共聚物和ITIC的化学结构

（b）共聚物和ITIC的归一化的吸收光谱

（c）共聚物和ITIC的能级示意图

图2 有机电池的光伏性能

（a）非富勒烯有机电池的J-V 特征曲线

（b）非富勒烯有机电池的EQE曲线

（c）以报导高效的有机太阳电池的PCE-E_loss图

（d）初始的和混合膜的PL光谱

图3 共聚物膜的结构性质

（a-f）初始的和混合膜的GIWAXS花样

（g）初始的和混合膜的平面内和外平面的切割曲线

（h）混合膜的R-SoXS曲线

图4 串联有机电池的结构及性能

（a）串联有机电池的器件结构

（b）串联有机电池的能级位置示意图

（c）串联有机电池的J-V特征曲线

（d）串联有机电池的EQE曲线

【小结】

在这项工作中，研究者设计和合成了两种新型的宽禁带共聚物，其禁带宽度为2.10 eV，HOMO能级的位置低于-5.35 eV。使用ITIC作为非富勒烯接受层，PBDTS-TDZ单结器件具有1.10 V的开路电压和0.48 eV的能量损失。PBDTS-TDZ器件具有12.80%的效率。当采用串联结构时，PBDTS-TDZ基的器件具有13.35%的效率和2.13 V的开路电压。该研究为发展高效的宽禁带共聚物受体提供了新的思路，有利于单结或者串联非富勒烯有机太阳电池的商业化。

文献链接：Realizing Over 13% Efficiency in Green-Solvent-Processed Nonfullerene Organic Solar Cells Enabled by 1,3,4-Thiadiazole-Based Wide-Bandgap Copolymers（Adv. Mater.，2017，DOI: 10.1002/adma.201703973）

本文由材料人编辑部实习生马永超编译，黄超审核，点我加入材料人编辑部。

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