江西师范大学陈义旺教授、南昌大学谌烈教授研究团队AFM：在用于高效半透明有机太阳能电池的窄带隙聚合物给体取得新进展

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与无机半导体和钙钛矿材料相比，有机半导体具有不连续的吸收特性，这使得它们在制备半透明器件方面具有独特的优势。基于有机半导体材料的半透明有机太阳能电池可用于外窗玻璃、建筑立面等建筑表面，实现多样化的能量转换途径。通常，半透明有机太阳能电池实际应用的临界平均可见光透射率应大于25%，但由于光吸收和透射率之间的权衡，而高的平均可见光透射率总是会导致能量转换效率的显着下降。而对于理想的半透明有机太阳能电池器件，它应该充分利用不可见光子来最大化能量转换效率，并最大化可见光子的透过以获得高的平均可见光透射率和显色指数。具有良好近红外光子吸收的窄带隙的半导体材料，显示出巨大潜力。然而由于活性层材料固有的窄带隙以及窄带隙聚合物给体与目前高性能的受体（如IT-4F和Y6等）能级不匹配，大多数半透明有机太阳能电池表现出低的开路电压，这被证明是限制器件性能提高的关键因素。因此，合理设计活性层材料以在不破坏透明度的情况下提高开路电压和器件效率对于实现半透明有机太阳能电池的实际应用至关重要。

首先，针对这一难题，南昌大学陈义旺/谌烈教授研究团队提出了一种新的设计概念，即使用具有低能级和重叠近红外吸收的给体与受体组合，用于高性能的半透明有机太阳能电池。将氯、硫和氟官能原子引入到聚合物PCE10中，以降低所得聚合物给体的能级，得到了三个聚合物PCE10-2Cl、PCE10-SF和PCE10-2F。这些聚合物给体都显示出比PCE10更低的能级。其中，与非富勒烯受体IT-4F具有重叠吸收的窄带隙聚合物给体PCE10-2Cl不仅获得了显着提升的开路电压，而且实现了与具有互补吸收的给-受体组合相当的光电流。相应的基于PCE10-2Cl：IT-4F的半透明有机太阳能电池器件，无需任何额外处理即可实现8.25%的能量转换效率，平均可见光透射率为33%，该工作表明窄带隙给体和受体与重叠吸收的合理组合是实现高性能半透明有机太阳能电池的有效的策略（ J. Mater. Chem. A. 2021, 9(9): 5711-5719. DOI: 10.1039/D0TA11203H)。

目前，随着Y系列受体的出现，传统的不透明有机太阳能电池能量转换效率已经取得了重大突破。但遗憾的是，广泛用于高性能半透明有机太阳能电池的窄带隙聚合物给体PCE10，无法与Y系列受体形成良好匹配。例如，窄带隙聚合物给体PCE10与Y6的组合的器件只能实现低开路电压(~0.62V)和FF(~62%)，这是由于窄带隙聚合物给体的高能级和与Y6差的相容性。

针对这一问题，他们在以前工作的基础上再次通过无规共聚将BDT-2F或者BDT-2Cl单元引入聚合物给体PCE10中，得到了两个系列的三元共聚物PCE10-BDT2F-X和PCE10-BDT2Cl-X，通过这种简便的三元共聚物设计策略来提升Y6与窄带隙聚合物给体PCE10的匹配。与PCE10相比，所有三元共聚物都表现出更深的能级、更高的消光系数、更强的face-on取向以及与Y6更好的相容性。其中，基于PCE10-BDT2F-0.8:Y6的器件实现了13.80%的能量转换效率，比基于PCE10:Y6的器件高出近40%。相应的半透明有机太阳能电池也实现了12.00%和10.85%的能量转换效率，平均可见光透射率分别为30.98%和41.08%，并且实现了4.46%的出色光利用效率，进一步证明了器件的能量转换效率和平均可见光透射率之间实现了更好的平衡。该工作对促进半透明有机太阳能电池突破提供了简便且非常令人鼓舞的策略。

图1. 聚合物给体PCE10、PCE10-2Cl、PCE10-2F、PCE10-BDT2F-X和PCE10-BDT2Cl-X化学结构。

图2. (a)半透明器件的结构示意图；(b)半透明器件的J-V曲线和；(c)半透明器件的透射光谱以及EQE曲线；(d)透过半透明器件拍摄的建筑照片。

相关成果发表在Advanced Functional Materials （Adv. Funct. Mater. 2021: 2108634. DOI: 10.1002/adfm.202108634）上。论文的第一作者为南昌大学博士生黄学祥，共同第一作者为南昌大学博士生张立福，通讯作者为南昌大学谌烈教授、江西师范大学陈义旺教授，此外，感谢江西理工大学黄斌副教授对本工作的帮助。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202108634

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