南昌大学谌烈教授课题组《Small》: 含氯和硅烷基侧链聚合物给体获得高开路电压和低能量损失的非富勒烯太阳能电池
有机太阳能电池由于其具有低成本、柔性、无污染、制备工艺简单、适合大面积生产等优点逐渐引起科学工作者的注意，并被广泛地研究。近年来，基于聚合物给体和小分子稠环电子受体组成的本体异质结型聚合物太阳能电池取得了突飞猛进的发展，单节电池的器件效率（PCE）已经超过18%。
相比于钙钛矿太阳能电池，有机太阳能电池的PCE还有一定的差距，主要是由于钙钛矿太阳能电池的开路电压（VOC）可以高达1.0 eV，而有机太阳能电池的基本维持在0.85 eV。众所周知，提高给体的最高占据分子轨道（HOMO）和降低受体的最低未占分子轨道（LUMO）是VOC提高的一种有效方法。然而，受到目前高效的小分子稠环受体的限制，只有少数具有低HOMO能级的宽带隙聚合物给体能与之进行很好的匹配，并取得较好的器件性能；此外，如果仅仅是通过降低给体的HOMO能级来增大与之相匹配的受体的LUMO能级差值，往往会导致给和受体之间能级差过小，激子分离的驱动力不足从而降低器件的短路电流（JSC）。
图1.（a） PBDS-T的化学结构；（b） PBDS-TCl的化学结构；（c）ITIC-Th2的化学结构；（d）Y6的化学结构；（e）纯膜吸收；（f）材料能级分布图。
实际上，除了调控给体和受体的能级之外，减小器件中的能量损失（Eloss）同样也能够很好的提高VOC。根据Shockley-Queisser(SQ)理论，太阳能电池Eloss的理论值为0.25-0.30 eV，然而，目前大多数高效的聚合物太阳能电池的Eloss主要为0.6-1.1 eV，这就导致聚合物太阳能电池的VOC与钙钛矿太阳能电池相比低的多。因此，降低有机太阳能电池中的能量损失也是改善VOC的另一种有效方法。
针对以上问题，他们在以前工作的基础上把Cl原子引入到聚合物给体PBDS-T中得到PBDS-TCl。通过实验发现，Cl原子的引入可以很好的降低PBDS-TCl的能级和改善结晶性。以Y6为受体组合的PBDS-TCl:Y6的器件，Eloss可以降低到0.41 eV，VOC可以提高到0.92 V。该工作对降低聚合物太阳能电池的Eloss和提高VOC的研究提供了新策略。
图2.（a） Y6为受体VOC-PCE的总结图；（b） Y6为受体Eloss-VOC的总结图；（c）PBDS-T:Y6 为器件EU的计算；（d）PBDS-TCl:Y6 为器件EU的计算；（e）PBDS-T:Y6为器件TPS-EQE的测试；（f）PBDS-T:Y6为器件TPS-EQE的测试。
以上相关成果分别发表在Small (Small 2021, 2104451; DOI: 10.1002/smll.202104451) 和Advanced Functional Materials （Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1800606）上。论文的第一作者为江西理工大学黄斌副教授，通讯作者为南昌大学谌烈教授，共同通讯作者为韩国蔚山科学研究院Changduk Yang教授与东华大学马在飞教授。
原文链接：
https://doi.org/10.1002/smll.202104451
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