侯剑辉JACS：大静电势差活性材料助力14.7%高效有机太阳能电池

【引言】

  有机太阳能电池具有轻柔、低成本、高吞吐量等优点，受到研究者的热捧。经过20多年的发展，有机光伏电池效率已经超过14%能量转换效率，已经初步展现了其商业化的潜力。然而，即使最先进的有机光伏电池的效率仍然远远低于其他光伏电池（如硅、钙钛矿太阳能电池）。这主要是因为有机半导体材料较低的固有介电性能使得光生电子空穴对具有很强的库伦结合能，这使得需要额外的能量驱动分离电子空穴对形成自由电荷。这种额外的驱动能量往往涉及到电荷转移态的形成和解离。这导致器件的开路电压与带隙具有很大的能量偏移，从而限制了器件的性能。因此，有效降低分离电子空穴对所需的额外驱动力对于提升有机光伏电池的性能具有重要意义。

【研究简介】

  近日，中国科学院化学研究所侯剑辉研究团队在JACS上发表了一篇名为“14.7% Efficiency Organic Photovoltaic Cells Enabled by Active Materials with a Large Electrostatic Potential Difference”的文章。该研究提出使用新的聚合物供体PTO2和非富勒烯IT-4F制备了单结效率为14.7%的有机光伏电池。研究发现PTO2和IT-F4结合可以在分子间形成大的静电势差有助于分离电子空穴对，从而可以有效的降低电子空穴分离的额外驱动力，这使得器件不仅可以获得很高的外量子效率还可以具有最低的开路电压损失。

【图文简介】

图1 分子结构、吸收谱和能带

A) PTO2和IT-4F的分子结构；

B) PTO2、IT-4F和PC₇₁BM的吸收谱；

C) 溶液氯苯的PTO2在不同温度下的吸收谱；

D) 能带结构；

E) PTO2:IT-4F的EL和s-EQE谱；

F) PTO2:PC₇₁BM的EL和s-EQE谱。

图2 器件光伏性能

A) 最好的PTO2:IT-4F和PTO2:PC₇₁BM两种器件的J-V曲线；

B) 80个器件的性能数据统计；

C) 认证效率；

D) PTO2:IT4F和PTO2:PC₇₁BM两种器件的EQE；

E) Photo-CELIV曲线，用于计算载流子迁移率；

F) TPV测试载流子寿命。

图3 PTO2:IT-4F和PTO2:PC₇₁BM薄膜形貌表征

A,B) PTO2:IT-4F和PTO2:PC₇₁BM薄膜AFM图；

C,D) PTO2:IT-4F和PTO2:PC₇₁BM薄膜TEM图；

E,F) PTO2:IT-4F和PTO2:PC₇₁BM薄膜2D GIWAXS图；

G) PTO2:IT-4F和PTO2:PC₇₁BM薄膜2D GIWAXS的平面和外切面。

图4 纯PTO2、纯IT4F、PTO2:IT-4F和PTO2-PC₇₁BM薄膜的瞬态吸收动力学

图5 供体和受体之间的静电势及其对分子间相互作用的影响

A) 供体和受体之间的静电势分布；

B) 共轭骨架中原子的平均静电势；

C) 分子的静电势区域分布；

D) 不同水平位置的分子间结合能；

E) 不同垂直位置的分子间结合能；

F) 有/无加电场时PTO2与PC₇₁BM间的最低激发态的电子/空穴密度分布；

G) 有/无加电场时PTO2与IT-4F间的最低激发态的电子/空穴密度分布。

【小结】

  研究者报道了一种聚合物给体PTO2，并对其在有机太阳能电池中的应用进行了研究，通过使用非富勒烯受体IT-4F可获得14.7%的效率。该体系表现出非常小的能量偏移态，器件表现出非常高的电荷产生效率。结果表明PTO2和IT-4F在分子间存在很大的静电势差，可以诱导的光生载流子的分离。这些发现意味着微调静电势差可以作为有机光伏材料的分子设计策略，并且利用这种方法将提高有机光伏电池的开路电压电压，从而提高效率。

文章链接：14.7% Efficiency Organic Photovoltaic Cells Enabled by Active Materials with a Large Electrostatic Potential Difference,  J.Am.Chem.Soc, 2019,DOI: 10.1021/jacs.8b12937

本文由金也编译供稿。