香港科技大学颜河教授团队Joule:新型强结晶性非富勒烯受体助力高效室内有机光伏器件

【引言】

物联网的兴起已经成功带动了低功耗微电子设备的普及，并且这些微电子设备大多都在室内光环境下使用。而有机光伏器件（OPV）由于其轻薄，易调节吸光等特性，在室内光环境下，可有效的将光能转化为电能，为这些电子器件实现离网供能。由于室内光源的光谱分布与太阳光不同，现有的高效OPV体系并不适用于室内有机光伏器件(IOPV)。因此，合理的设计IOPV材料成为实现高效室内光伏器件的关键。高效IOPV体系需要满足一下几个条件：1. 室内光源光谱分布主要集中在400-700nm，IOPV器件光响应光谱应与室内光源发射光谱相匹配，以减小光子因能带过窄造成的能量损失；2. 器件的陷阱介导复合需要被有效抑制（室内环境下光生载流子密度远低于太阳光环境下，一阶陷阱介导复合对器件影响变大）3.具有较高的外量子效率和较低的电压损失，在有效的将光子转化为电子的同时，减小光子的能量损失。

【成果简介】

近日，香港科技大学颜河教授团队和西安交通大学马伟教授团队通过合理的选择给体与受体片段调控分子内电荷转移，设计了一种新型的A-D-A结构大带隙小分子受体(FCC-Cl)。该受体不仅拥有和室内光源光谱匹配的带隙（1,71 eV），而且保证了强结晶性和高吸光系数。其与大带隙的给体材料(D18,PM6)共混后，光谱响应曲线与室内光源发射光谱高度匹配。在500勒克斯（2600K）的发光二极管照射下，器件展现出了优异的外量子效率（~85%）和填充因子（~80%），实现了28.8%的能量转化效率，这是目前已报导的最高室内有机光伏能量转化效率之一。该成果以题为“A Highly Crystalline Non-Fullerene Acceptor Enabling Efficient Indoor Organic Photovoltaics with High EQE and Fill Factor”发表在Cell Press旗下Joule（影响因子=29.155）上。香港科技大学博士生白福锦及博士后张健全为该文共同第一作者，西安交通大学马伟教授和香港科技大学颜河教授为本文共同通讯作者。

【图文导读】

图1. D18，PM6和FCC-Cl的（A）分子结构及其（B）电势能分布

图2. 材料的能级，吸收光谱及器件性能

（A）D18，PM6和FCC-Cl的能级分布；（B-C）D18，PM6和FCC-Cl在溶液与薄膜状态下的紫外-可见吸收光谱；（D）器件电流密度-电压特征曲线；（E）器件EQE曲线；（F）室内光源发射光谱。

图3. （A）FCC-Cl, （B）PM6纯膜以及（C）PM6：FCC-Cl混合膜的二维原位掠入射广角X射线散射图以及其（D）一维剖面图

图4. D18：FCC-Cl和PM6：FCC-Cl器件的室内光伏性能表征

（A）D18：FCC-Cl和（B）PM6：FCC-Cl在LED（2600K）照射下的电流密度-电压特征曲线；（C）LED（2600K）在2000lux下的发射光谱以及功率积分曲线；（D-E）LED（2600K）在2000lux下的光通量光谱以及（D）D18：FCC-Cl和（E）PM6：FCC-Cl的电流积分曲线；（F）器件在LED（2600K， 500lux）持续照射下的稳定性曲线；（G）D18：FCC-Cl和（H）PM6：FCC-Cl的暗电流曲线；（I）LED（2600K， 1000lux）持续照射下光伏器件性能模拟。

图5. PM6：FCC-Cl厚膜器件的室内光伏性能表征

（A）PM6：FCC-Cl的器件结构；（B）不同膜厚下器件在一个太阳以及LED（2600K，1000lux）照射下的电流密度-电压特征曲线；（C）不同膜厚下器件的EQE曲线；（D-E）不同膜厚下器件室内室外性能参数变化曲线；（F）理论计算与实验所得的填充因子随器件串联电阻的变化曲线。

【文章亮点】

通过合理的选择给受体片段，调控小分子受体材料光谱蓝移的同时，保证其强结晶性和高吸光系数对实现高效有机光伏性能至关重要。

该工作成功设计了一种新型高效大带隙小分子受体，在LED（2600K， 1000lux）照射下，实现了28.8%的能量转化效率。

室内光照射下，载流子密度降低，器件填充因子对有机活性层串联电阻的敏感性降低。

【论文信息】

Bai, F.; Zhang, J.; Zeng, A.; Zhao, H.; Duan, K.; Yu, H.; Cheng, K.; Chai, G.; Chen, Y.; Liang, J.; Ma, W.; Yan, H., A Highly Crystalline Non-Fullerene Acceptor Enabling Efficient Indoor Organic Photovoltaics with High EQE and Fill Factor. Joule, in press. DOI: 10.1016/j.joule.2021.03.020

期刊链接

https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(21)00143-4

论文链接

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2542435121001434?via%3Dihub

本文系作者团队供稿