浙江大学李昌治研究员团队在叠层聚合物太阳能电池取得新进展，优化NIR波段、突破效率14.64%！
浙江大学高分子系有机半导体研究室李昌治研究员（通讯作者）、陈红征教授、硕士生陈方晓（第一作者）团队与华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室叶轩立教授合作，提出近红外非富勒烯受体 (near-infrared nonfullerene acceptors (NIR NFAs, T1–T4))，其具有氟化区域异构体A–Aπ–D–Aπ–A主链结构，用于建构可达1000 nm光谱响应的高效率单节和叠层聚合物太阳能电池 (polymer solar cells, PSCs)。该团队通过调整分子构型的区域异构桥(Aπ)和氟-取代基((F)‐substituents)，大幅改善主链结构和共轭作用，有助于获得光电性能优化的非富勒烯受体(NFA)，这也是影响PSCs器件效率的关键要素。
随着新型光电活性分子的快速发展，聚合物太阳能电池也得到不断地突破，大放异彩。PSCs的独特优点在于，化学有机半导体的多功能性和可调节性，因此可大量制备、价格相对较低、成品柔软可弯曲等特性。例如，近期所发展的近红外有机材料（带隙Eg < 1.4 eV）所制备的PSCs，具有NIR高光谱响应度和半透明等特性，基于以上发展，科学家们对叠层和半透明PCSs产生了强烈的探索欲望。
图1 a）叠层器件结构示意图。 b) 叠层器件断面SEM图。 c）叠层太阳能电池能级分布图。 d）在AM1.5G（100mW cm -2）照射下最优叠层器件的J-V曲线。
获得高效率不简单！
NIR PSCs面临的挑战
过去几年里，许多研究人员投入精力研发NIR有机半导体，但以NIR供体和富勒烯受体的PSC，其能量转换效率(Power conversion efficiency, PCE)通常低于10%，且外量子效率 (External quantum efficiency,EQE)相对也低。但令人振奋的是，近期已发展出稠环(fused-ring)非富勒烯受体 (nonfullerene acceptors, NAFs)，如IHIC， IEICO， ATT-2， BT-CIC， DTPCIC，和COi8DFIC，为NIR有机半导体提供了新的发展机会，使PSC得以利用近红外光子来获得较大的短路电流(Jsc)。
然而，目前NIR有机太阳能电池面临的最大挑战，无外乎就是在NIR太阳能电池中获得较高的光电转换效率的同时降低能量的损失。此外，通常需通过反复优化器件工艺来获得最佳的本体异质节 (bulk heterojunction, BHJ)混合形貌（影响PSC整体性能的关键）。至今，以富勒烯和NFA供体为基材所制备的PSCs器件，其转换效率极少可达到大于8%的PCE。
因此，要获得高效率的PSCs的核心关键，就是更深入地探讨NIR光活性分子的结构设计，以利于改善、提升BHJ特性，如电子、空穴迁移率等，以达成在低能量的NIR波段中优化PSC器件以提高光电转换率。
突破效率
关键在NIR有机物和器件结构新见解
该团队运用四个新型结构的近红外非富勒烯受体NIR NFAs，其具有氟化区域异构体A–Aπ–D–Aπ–A主链结构，包括IFIC-i-2F (T1)，IFIC-i-4F (T2)，IFIC-i-6F (T3)，和IFIC-o-4F (T4)，架构出高效率的单结和叠层的PSCs，(如图１)。这种结构设计调节了IFICs的主链刚性、平面性和内部电荷转移，因此影响了材料的光电特性。这四种IFIC呈现具有广泛的吸光范围（Eg 可达 1.27 eV）和微小的能级变化。在PSCs中，尽管具有相似的分子式，通过简单的溶液制备技术添加PTB7-Th聚合物，可观察到F在远端的NFA (T4)，性能为7%，而具有不同F原子的近端的NFA(T1-T3)，PSCs的性能则明显提升，达到10.10% (T2)。
图2. T1 (IFIC-i-2F), T2 (IFIC-i-4F), T3 (IFIC-i-6F), and T4 (IFIC-o-4F)化学结构
然而，巧妙的是，该团队通过添加1% 1-氯萘(CN)作为溶液添加剂，改善共混物的形貌后，具有PTB7-Th：T2共混物的单结PSC可以达到10.87％的能量转换效率(PCE)（Jsc : 24.85 mA cm-2, Voc: 0.65 V, FF: 0.67）。此外，利用可吸收NIR的 IFIC-4F (T2): PTB7-Th子电池与中间带隙非富勒烯基ITIC: PBDB-T子电池，来制备出高效率的叠层太阳能电池。
图3 a） 不加添加剂和1%CN作为添加剂的J-V曲线。 b) EQE曲线。 c）短路电流密度随光强的变化。 d） PTB7-Th和T2的傅里叶红外谱图。 e，f） 光致力显微镜图，其中(e) 1% CN作为添加剂，(f) 不加添加剂。
通过高精密的太阳光模拟器和量子效率量测仪器，测得此器件的光电转换效率高达14.64 %，是目前获得效率较高的叠层PSCs，该团队通过这篇研究，提出了对NIR有机物和器件结构的新见解，也藉此大幅提升了NIR PSCs的效率。
相关论文以 “Near-Infrared Electron Acceptors with FluorinatedRegioisomeric Backbone for Highly Efficient Polymer Solar Cells” 为题发表于《Advanced Materials》（IF=21.950）。研究生陈方晓和博士生刘志玺为论文的共同第一作者，李昌治研究员为通讯作者，该研究得到了国家自然科学基金经费的支持。
论文链接：
https://doi.org/10.1002/adma.201803769
来源：浙大高分子
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