Nature Energy：通过协同富勒烯和非富勒烯受体实现具有分级形貌的高效有机三元太阳能电池

【前言】

采用多种光吸收材料来拓宽吸收光谱的三元有机光伏(TOPVs)被认为是实现高能量转换效率(PCE)的重要手段。TOPV的性能在很大程度上依赖于能够形成匹配的电子结构和合适的微观形貌的材料组合来产生和传输电荷。尽管最近有一些成功的实践和报道，但如何在复杂动力学平衡的指导下操纵多组分共混物的形貌，以最大光生电流并减少不同来源的电压损耗通道，这一基本挑战远未得到满足。因此，使用合适的材料和后处理过程来实现可以最大化电荷产生和提取的理想形态，是提高器件效率的重要途径。由此出发，结合富勒烯和非富勒烯受体(NFAs)可能是有利的，因为富勒烯衍生物(PCBM)是良好的电子传输介质，而NFAs具有良好的光吸收和高度可调的能级排列。此外，由于NFAs体系的电荷分离过程中的驱动力较小，相应的器件得到的开压损耗[定义为E_loss = E_g^opt − qV_oc (其中E_g^opt是光带隙，V_oc是开路电压，q是基本电荷)]很低。

【成果简介】

近日，中科院化学所的朱晓张教授、瑞典林雪平大学的张凤玲教授以及上海交通大学刘烽教授（共同通讯）联合在Nature Energy上发表文章，题为：High-efficiency small-molecule ternary solar cells with a hierarchical morphology enabled by synergizing fullerene and non-fullerene acceptors。作者通过将小分子给体与富勒烯和非富勒烯受体相结合，实现了三元太阳能电池13.20 ± 0.25%的高能量转换效率，这形成了由PCBM组成的电荷运输高速公路和精细的非富勒烯小相分离路径组成的分级形貌。载流子生成和传输实现了最佳平衡，同时降低了电压损耗。这种分级形貌充分利用了富勒烯和非富勒烯受体的各自优势，证明了它们在有机光伏中的不可或缺性。

【图文导读】

图. 1 光伏性能特性

a, 在三元器件中BTR, NITI和PC₇₁BM的化学结构；

b, BTR, NITI和PC₇₁BM的能级；

c, BTR, NITI和PC₇₁BM归一化的薄膜吸收；

d, 标准入射光强(AM 1.5G, 100 mW cm⁻²)下二元和三元器件的电流-电压特性；

e, 基于二元和三元共混膜的35个器件的PCE测量直方图；

f, 二元和三元器件的EQE和积分J_sc；

图. 2 形貌表征

a, 二元和三元共混物(1:0.4:1)的GIWAXS二维衍射图；

b, 二维GIWAXS数据的平面内(虚线)和平面外(实线)线切割轮廓；

c, 不同NITI组成的共混膜结晶度相干长度信息；

d, 二元和三元共混物的BF和HAADF TEM图；

e, 二元和三元BHJ薄膜的RSoXS散射图；

图. 3 电荷的产生，提取和复合

a、原始供体、NFA和共混膜的光致发光光谱。

b、光电流密度对内部有效电压(J_ph − V_eff)的特性

c、J_sc对光强的测量。

d、二元和三元器件的V_oc与光强的关系。

图. 4能量损失分析

a、基于原始供体、NFA和共混膜的器件的电致发光光谱；

b、混合器件FTPS – EQE；

c、混合器件EQE_EL

图. 5 PCE_max和E_loss.的形貌说明和比较

a、三元膜中的分级形貌以及主要的电荷产生和传输过程；

b .效率大于10 %的单节器件中PCE对E_loss的曲线图；

【总结】

作者设计了有趣的三元共混物，使用分子给体(BTR)、NFA (NITI)和富勒烯受体(PC₇₁BM)组分，在300 nm的活性层厚度下，器件效率高达13.20±0.25 %。与BTR : NITI BOPVs相比，作者观察到几乎所有器件参数都有提升以及电荷传输和复合都有协同改善，PCE增强了一倍。这种改进是由于从详细的相分离和材料结晶之间的平衡中获得的分级形貌，这表明材料和界面之间达到了微妙的平衡。作者通过使用SVA来操纵薄膜形态，BTR结晶可以将NITI分子推出，这导致PC₇₁BM边界处的NITI的富集，且PC₇₁BM和(BTR:NITI)之间呈现出有利于光电转化的face-on分子堆积取向。此外BTR和PC₇₁BM之间的电荷转移状态可以被抑制以减少能量损失，并且载流子可以通过级联能量通道有效地传输，因此这种分级形貌结构有利于性能的提升。NITI是提高器件V_oc的关键，并贡献了近红外光谱区的额外吸收。PC₇₁BM的大相分离框架和良好的BTR结晶度平衡了载流子传输并减少了双分子复合并提升了填充因子FF。

文献链接：High-efficiency small-molecule ternary solar cells with a hierarchical morphology enabled by synergizing fullerene and non-fullerene acceptors,( Nature Energy, 2018, DOI: 10.1038/s41560-018-0234-9)

本文由材料人电子电工学术组Z. Chen供稿，材料牛整理编辑。

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