侯剑辉Adv. Mater.：效率超16%的三元聚合物太阳能电池

【引言】

近年来，非富勒烯受体材料的设计合成促进了聚合物太阳能电池（PSC）的快速发展，进一步提高基于给体和受体构成的两元非富勒烯型PSC的光伏性能是一个重要挑战。在这项研究中，研究者们通过将富勒烯衍生物PC₆₁BM引入基于聚合物给体（PBDB-TF）和非富勒烯受体（Y6）的共混体系中制备了三元PSC，最终获得了16.5％的高效率（认证效率为16.2％）。详细研究表明，将PC₆₁BM引入到PBDB-TF：Y6共混活性层中不仅可以提高薄膜的电子迁移率，还可以提升活性层的电致发光量子效率，能够同时起到提高电荷传输性能以及降低非辐射能量损失的作用。这项工作表明利用富勒烯和非富勒烯受体的互补优势是一种精细调控器件光伏参数，进一步提高器件效率的有效方法。

【成果简介】

近日，中科院化学所侯剑辉课题组在Adv. Mater. 期刊上发表了题为“Improved Charge Transport and Reduced Nonradiative Energy Loss Enable Over 16% Efficiency in Ternary Polymer Solar Cells”研究论文。在这项工作中，作者将PC₆₁BM引入PBDB-TF:Y6二元体系中制备三元了PSC，将PCE提高到16.5％。研究结果表明PC₆₁BM的引入可以有效提高电子迁移率。此外，PC₆₁BM可以分散Y6聚集体，从而提高其发光量子效率（EQE_EL），降低非辐射能量损失。得益于这些优点，三元PSC的主要光伏参数，包括V_oc，J_sc和FF，均得到改善。文章第一作者为于润楠博士，通讯作者是姚惠峰助理研究员和侯剑辉研究员。

【图文导读】

图一、 活性层材料的基本性质

a）PBDB-TF，Y6和PC₆₁BM的化学结构。 b）PBDB-TF，PC₆₁BM和Y6的薄膜吸收光谱。 c）PBDB-TF，Y6和PC₆₁BM的能级示意图。

图二、 光电性能表征

a）基于PBDB-TF：PC₆₁BM，PBDB-TF：Y6和PBDB-TF：Y6：PC₆₁BM的器件J-V曲线，。b）基于PBDB-TF：Y6：PC₆₁BM三元器件的中国国家计量研究院认证结果（认证面积为9.047平方毫米）和PCE计数直方图。c）相应的EQE曲线。d）三元器件参数随PC₆₁BM重量比的变化曲线。

 图三、载流子迁移率和寿命与受体含量的关系

 a）空穴和电子迁移率随三元活性层中PC₆₁BM含量的变化曲线。b）CELIV迁移率和载流子寿命随三元活性层中PC₆₁BM含量的变化曲线。

 图四、 器件能量损失的研究

a）具有不同受体含量的二元和三元器件的s-EQE曲线。 b）归一化的EL光谱和c）相应器件的EQE_EL值。 d）EQE_EL和非辐射能量损失的变化曲线。

 图五、  活性层形貌表征

基于不同受体组成的共混膜AFM。

 【小结】

研究者们通过构建基于PBDB-TF：Y6：PC₆₁BM的三元活性层，获得了光电转化效率为16.5％的聚合物太阳能电池。研究结果表明，PC₆₁BM的引入能够有效提高活性层的电子传输能力从而获得更为平衡高效的电荷传输过程。此外，由于PC₆₁BM可以分散Y6的分子聚集，使得三元活性层表现出更高的EQE_EL，降低了体系的非辐射复合损失。与基于PBDB-TF：Y6的二元器件相比，基于 PBDB-TF：Y6：PC₆₁BM的三元器件的主要光伏参数同时得到了提升。综上可知，结合富勒烯和非富勒烯受体的优点构建三元器件能够进一步提高聚合物太阳能电池的光电转化效率。该工作也表明器件的非辐射复合损失也是在设计高效多元太阳能电池时应认真考虑因素之一。

文章链接：Improved Charge Transport and Reduced Nonradiative Energy Loss Enable Over 16% Effciency in Ternary Polymer Solar Cells. (Adv. Mater., DOI: 10.1002/adma.201902302)

 本文由踏浪供稿。