武汉大学/北京交通大学Nano. Energy.: 高效和空气稳定的非富勒烯三元有机太阳能电池

【引言】

作为一种清洁的可再生能源技术，有机太阳能电池（OSCs）具有成本低、质量轻、可大面积制备和原材料丰富等独特优势，成为近年来国内外能源器件研究和光电材料研宄的前沿和热点。在有机太阳能电池研究中，聚3-己基噻吩由于廉价、合成简单容易、形貌稳定性好等特性进入研究者考查范围，然而聚3-己基噻吩存在开路电压与短路电流较小的缺陷从而限制了应用。随后以富勒烯作为受体的有机太阳能电池具有良好的能量转化效率，成为有机太阳能电池研究的焦点。但是富勒烯也存在明显的短板，吸光弱、能级固定，这限制了材料结构设计的灵活性和提高能量转换效率的难度。

随着研究的深入，非富勒烯进入了研究者的视野，同时研究者设计的三元共混有机太阳能电池能够同时提高开路电压、短路电流、填充因子三个因素，因此非富勒烯三元有机太阳能电池有望在效率和稳定性上有所突破。

【成果简介】

近日，武汉大学杨楚罗教授和北京交通大学张福俊教授（共同通讯作者）成功了制备非富勒烯取代富勒烯的三元有机太阳能器件ITO/ZnO/活性层/MoO₃/Ag，其中ZnO为电子传输层，MoO₃为空穴传输层，不同ITIC/N2200质量比的薄膜为活性层，并对器件薄膜进行光电性能表征和稳定性测试，结果表明非富勒烯三元有机太阳能电池具有高的效率和稳定性，最优能量转换效率达到11.40%（ITIC-Th）和12.10%（ITIC-M），空气中1000 h光照后能量转化效率仍保持初始能量转化效率的80%以上。相关成果以题为“High-efficiency and Air Stable Fullerene-free Ternary Organic Solar Cells”发表在了Nano Energy上。

【图文导读】

图1. 非富勒烯三元有机太阳能电池装置和光电性质表征

（a）非富勒烯三元有机太阳能电池器件结构装置示意图

（b）PBDB-T、ITIC 和 N2200 薄膜的标准化紫外-可见吸收光谱图

（c）100 mW cm^-2 光照下最优二元和三元有机太阳能电池器件的电流强度-电压曲线，插图为50个含10 wt% N2200 有机太阳能电池器件的能源转化效率柱状图

（d）最优二元和三元有机太阳能电池器件的外量子效率和短路电流密度结果

（e）不同N2200含量器件薄膜的吸收光谱图

（f）最优二元和三元有机太阳能电池器件的光电流密度-有效电压曲线

图2. 不同有机太阳能电池器件薄膜的光电性能

（a）激发波长700 nm下ITIC、ITIC:N2200 (9:1) 和 N2200 薄膜的光致发光图谱

（b）激发波长400 nm、监测波长760 nm下ITIC、ITIC:N2200 (9:1) 和 N2200 薄膜的时间分辨瞬态光致发光图谱

（c）ITIC、ITIC:N2200 (9:1) 和 N2200 作为活性层的电池的电流强度-电压曲线

（d）实验所用材料的能级分布和可能的电荷转移过程

（e）不同光照强度下最优二元和三元有机太阳能电池器件的短路电流强度结果及短路电流强度-光照强度线性拟合结果

（f）不同光照强度下最优二元和三元有机太阳能电池器件的开路电压结果及开路电压-光照强度线性拟合结果

图3. 不同N2200含量有机太阳能电池器件薄膜的TEM和GIXD图

（a-d）不同N2200含量有机太阳能电池器件薄膜的TEM图，其中a表示不含N2200，b表示含10 wt% N2200，c表示含50 wt% N2200，d表示含100 wt% N2200

（e）不同N2200含量有机太阳能电池器件薄膜的掠入射X射线衍射图谱，其中实线为薄膜外表面结果，虚线为薄膜内表面结果

图4. 非富勒烯三元有机太阳能电池的稳定性

（a-b）100 mW cm^-2光照下非富勒烯三元有机太阳能电池的稳定性结果，其中a表示反向结构的最优二元和三元有机太阳能电池器件的能源转化效率结果，b表示正常结构的最优二元和三元有机太阳能电池器件的能源转化效率结果

【小结】

本研究成功制备了非富勒烯三元有机太阳能器件ITO/ZnO/活性层/MoO₃/Ag，其中ZnO为电子传输层，MoO₃为空穴传输层，不同ITIC/N2200质量比的薄膜为活性层，并对器件薄膜进行光电性能表征和稳定性测试。结果表明非富勒烯三元有机太阳能电池具有高的效率和稳定性，最优能量转换效率达到11.40%（ITIC-Th）和12.10%（ITIC-M），空气中1000 h光照后能量转化效率仍保持初始能量转化效率的80%以上。非富勒烯三元有机太阳能器件性能得到改善的原因是形貌得到优化、电荷转移更加平衡以及所用材料的良好兼容性。

文献链接：High-efficiency and Air Stable Fullerene-free Ternary Organic Solar Cells（Nano Energy, 2017, DOI: 10.1016/j.nanoen.2017.12.050）

本文由材料人编辑部新人组杨传玺编辑，刘宇龙审核，点我加入材料人编辑部。

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