北京交通大学张福俊团队Adv. Energy Mater.：利用三元策略最小化有机光伏器件能量损失，器件效率达17.4%

引言：

有机光伏器件因其成本低、质量轻、柔性、可大面积制备等优点受到广泛关注，目前已经取得了重大进展。事实上，光电转换过程中不可避免的能量损失仍然是阻碍器件性能提升的一大因素。目前，研究人员主要通过对高效率非富勒烯材料化学改性来降低器件能量损失。除了材料的改进，器件工程也在降低能量损失方面发挥重要作用。近期的研究结果表明，利用三元策略，能够有效降低有机光伏器件的能量损失。此外，第三组分还可以在器件性能提升方面发挥多重作用，例如：增强有源层光子俘获，优化光生激子分布，调控有源层相分离程度等。在高效率二元有机光伏器件的基础上，通过合理甄选第三组分，有望同时实现器件能量损失最小化，光子俘获及有源层形貌最优化。

成果简介：

近日，北京交通大学张福俊教授课题组在Adv. Energy Mater.上发表了题为“Achieving 17.4% Efficiency of Ternary Organic Photovoltaics with Two Well-Compatible Nonfullerene Acceptors for Minimizing Energy Loss”的研究论文。在这项工作中，作者将MeIC为第三组分引入到PM6:BTP-4F-12二元体系制备了一系列三元有机光伏器件，使得器件效率提升至17.4%。研究结果表明，适量MeIC的引入可同时优化有源层的光子俘获，激子解离和载流子传输，促使器件短路电流密度和填充因子分别提升至25.4 mA cm^-2和79.2%。此外，适量的MeIC还能有效提高器件的发光量子效率（EQE_EL），降低非辐射能量损失，促使器件开路电压的提升。文章第一作者为马晓玲博士（入选博士后创新人才支持计划），通讯作者为张福俊教授。

图文导读：

图一、有源层材料的基本性质

（a）有源层材料化学结构；（b）有源层材料能级；（c）纯薄膜归一化吸收光谱；（d）混合薄膜吸收光谱。

图二、光电性能表征

（a）相应二元和三元有机光伏器件的J-V曲线；（b）相应器件的EQE光谱及最优三元器件与主体系二元器件的ΔEQE。

图三、器件能量损失的研究

（a）相应器件的s-EQE光谱；（b）相应器件的EQE_EL光谱。

图四、有源层形貌表征

（a）混合薄膜面内面外方向GIWAXS剖面图；（b）混合薄膜的TEM图。

小结：

基于PM6:BTP-4F-12的二元有机光伏器件效率达到16.2%。在高效率二元有机光伏器件基础上，引入MeIC为第三组分制备了一系列三元有机光伏器件。随着第三组分MeIC含量的增加，三元器件开路电压逐渐提升，表明BTP-4F-12与MeIC之间形成合金态，这将有利于三元有源层内电子的传输。与两种二元器件相比，三元器件的能量损失达到最小化，这是其开路电压提升的关键因素之一。当MeIC含量为10 wt%时，三元器件的短路电流密度和填充因子达到最优，器件效率达到17.4%。该值是目前三元有机光伏器件最高效率值之一。

文献链接：Achieving 17.4% Efficiency of Ternary Organic Photovoltaics with Two Well‐Compatible Nonfullerene Acceptors for Minimizing Energy Loss，Adv. Energy Mater. 2020, 2001404  (DOI: doi.org/10.1002/aenm.202001404)。

本文由北京交通大学张福俊教授课题组投稿。