AFM：提升有机太阳能电池光电转换效率的新策略--深HOMO能级宽带隙高分子给体在高效三元非富勒烯有机太阳能电池中的应用

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聚合物太阳能电池因其成本低、质轻和柔性加工等特性使其具有很好的工业前景。尽管目前聚合物太阳能电池的单节光电转换效率已经快接近于18%，但是其聚合物材料吸收相对较窄限制了聚合物太阳能电池效率的进一步提高。为了拓宽吸收，三元聚合物太阳能电池的策略被广泛应用。事实证明引入第三组分能有效拓宽及其增强光谱吸收，减少能量损失，优化活性层形貌并且能提高器件的稳定性。但是对组成活性成的三组分的一般要求为能级匹配，否则共混薄膜易生成陷阱中心，造成载流子的复合，器件的性能降低。

针对这个问题，该课题组前期设计并合成了两种新型的深HOMO能级的高分子给体材料-- PDBT(E)BTz-p 和 PDBT(E)BTz-d.这两种深HOMO能级的高分子给体材料被作为第三组分添加到经典高效的二元体系PBDB-T-SF:IT-4F中，当添加5%的PDBT(E) BTz-d时，三元器件的光电转换效率从12.1% 提高到了13.4%。他们发现第三组分的能级在给体和受体之间，这种情况下第三组分有助于器件性能的提高（J. Mater. Chem. A, 2019,7, 14153-14162）。其他课题组也报道了类似的现象。但是没有报道过第三组分的HOMO能级低于原二元给受体的HOMO能级的情况下的三元聚合物太阳能电池是否有效。

因此在前期的工作基础上，该课题组相继又合成了更低的HOMO能级（-5.7 eV）的聚合物给体材料-- PBT(E)BTz并把其作为第三组分构建三元聚合物太阳能电池。该类分子中的BDT核有利于材料的分子结构相容性，好的多元共混体系的形貌，对电池活性层中的分子聚集，载流子传输产生有利影响（Nature Photonics 2015, 9, 190-198)。设计路线如图1。

图1. 新型高分子给体材料PBT(E)BTz的设计路线

在PBDB-T-SF:IT-4F体系中，PBT(E)BTz的HOMO能级同时低于二元的给受体的HOMO能级。在这种情况下，当添加适当的量的PBT(E)BTz时（5%），，三元器件的光电转换效率提高到了13.19%。为了研究这中三元体系的工作机理，他们对二元以及三元共混薄膜进行了瞬态和稳态的荧光表征（如图2）。经过分析，得益于宽带隙材料PBT(E)BTz与PBDB-T-SF之间的能量转移，可以增强对光子能量的利用从而增加了三元器件的短路电流的提高。值得注意的是，添加少量深HOMO能级的PBT(E)BTz使得三元薄膜中的激子解离得到提高，而并没有造成因能级不匹配而产生的陷阱中心，这也是与现有三元聚合物电池工作机理不同的地方。

图2. a) 纯IT-4F薄膜，PBDB-T-SF:IT-4F二元以及三元共混薄膜（5%, 10% and 20% PBT(E)BTz)光致发光光谱。b)纯 PBDB-T-SF 薄膜和 纯PBT(E)BTz 薄膜 以及 给体共混PBDB-T-SF:PBT(E)BTz薄膜的光致发光光谱。c) 纯 PBDB-T-SF 薄膜和PBDB-T-SF:PBT(E)BTz共混薄膜的时间分辨荧光光谱d) 三元工作机理图。

为了进一步证实这一发现，他们通过选取合适的二元体系PBDB-T：IT-M进一步拉大与PBT(E)BTz的HOMO能级差。当添加5%的PBT(E)BTz时，他们发现三元器件有同等程度的提高（从10.5%到11.06%）。然后他们选取了另一个高效的二元体系PBDBTF:BTP-4Cl来证实PBT(E)BTz作为第三组分的普适性（如图3）。实验发现，当添加少量的PBT(E)BTz（5%）时，三元聚合物太阳能电池的光电转换效率可以达到16.26%，这也是目前三元聚合物太阳能电池最高效率之一。此外，他们发现少量PBT(E)BTz的添加可以作为一种有效的器件性能“稳定剂”，同时提高二元器件的热稳定性和光稳定性。该三元体系为同时提高器件的性能和稳定性提供了简单有效的策略。

图3. a)二元以及三元器件的J-V 曲线。b) 二元以及三元器件的EQE曲线。c)二元以及三元未封装器件持续80℃加热老化的归一化PCEs。d) 二元以及三元封装器件持续1 sun的光照下老化的归一化PCEs。

该工作发表在Advanced Functional Material（DOI:org/10.1002/adfm.201910466）上。第一作者是香港理工大学电子及资讯工程学系博士生张颖，通讯作者为李刚教授，现为港理工钟士元爵士可再生能源教授。本研究受到香港研究资助局（PolyU 15218517）、深圳市科技创新委员会（JCYJ 20170413154602102）、香港理工大学（1-ZE29）及华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室开放基金的资助。

原文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.201910466

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