兰州交大夏养君教授课题组 Adv. Mater.: 氮-氧自由基共轭聚合物作为添加剂减少有机太阳能电池非辐射能量损失

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有机太阳能电池（OSCs）由于其易于实现柔性、大面积低成本光伏组件，被认为是可穿戴、半透明光伏技术最具潜力的实现方案。然而要满足产业化需求，OSCs的能量转化效率（PCE）和稳定性亟待提高。近年，得益于新型高效有机电子给体材料、受体材料以及器件制备工艺等方面的优化。尤其是近年来非富勒烯电子受体材料(NFAs)的快速发展，助推NFAs-OSCs的器件效率成功超过了19%。当前，最优NFAs-OSCs的短路电流密度(J_SC)和填充因子(FF)分别达到了肖克利-奎瑟(SQ)限值的80%和90%以上，而相应器件的开路电压(V_OC)仍然低于SQ的80%。2021年，Friend等证实，在高效率NFAs-OSCs中，由自由电荷（Free charge）的非孪生复合产生的三线态电荷转移态，能够经反向电荷转移（Back charge transfer, BCT）在非富勒烯受体上产生三线态激子（），这些非发射性的将与体系中过量的载流子相互作用而被湮灭（TCA，Triplet-charge annihilation）是高效率NFAs-OSCs中主要的能量损失通道（～90%）。实验证明，TCA的存在不但不利于V_OC的提高，而且还能增大自由电荷的复合概率，进而抑制器件J_SC和FF的提高。

近日，兰州交通大学材料科学与工程学院/甘肃省有机半导体材料与应用技术工程研究中心夏养君教授课题组设计并合成了一种带有2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧基（TEMPO）氮-氧自由基侧基的新型共轭聚合物（GDTA）（图1）。发现当以GDTA作为固体添加剂引入OSCs活性层时，不但可使基于PM6:Y6和PM6:BTP-eC9共混薄膜的OSCs的能量转换效率分别从15.7%和17.5%提高到17.6%和18.3%，且使相应光伏器件的光稳定性也有一定的提高。另外，通过进一步对基于PM6:Y6的光活性层中给受体的聚集行为、自由电荷复合行为、能量损失以及载流子动力学行为等过程的研究发现，GDTA的加入，在对器件光学活性层的吸收、分子聚集以及载流子传输没有明显影响的情况下，抑制了器件中激子产生（图2），进而使器件中的TCA过程以及自由电荷的双分子复合过程得到抑制，降低了器件的非辐射能量损失，使得器件的V_OC, J_SC和FF同时获得了提高（图3）。值得一提的是，这种新型的自由基聚合物添加剂在基于包括PM6:BTP-eC9, PM6:Y6, PM6:IT4F, PBDB-T:ITIC, J61:ITIC, P3HT:PC₇₁BM, PTB7:PC₆₁BM, PTB7-Th:PC₇₁BM等多种NFAs-OSCs材料体系中都实现了PCE的提升，表现出较好的普适性。这一开创性的研究工作，打破了传统认识中由于自由基过于活泼，可能在有机光伏器件的共混薄膜中发生掺杂，从而不利于器件稳定性的固有认识。为同时提高有机太阳能电池的能量转换效率以及光稳定性的研究提供了一种全新的器件优化策略。

图1. 自由基共轭聚合物添加剂的分子结构及引入到基于不同材料体系的OSCs后V_OC以及PCE的变化趋势

图2. 基于PM6:Y6体系OSCs器件的瞬态吸收光谱

图3. 基于PM6:Y6体系OSCs器件的EL, FTPS-EQE以及EQE_EL

相关研究成果最新发表于国际顶级期刊《Advanced Materials》上，题为“A Nitroxide Radical Conjugated Polymer as Additive to Reduce Non-Radiative Energy Loss in Organic Solar Cells”。文章由兰州交通大学材料科学与工程学院博士研究生石芙蓉、兰州交通大学国家绿色镀膜技术与装备工程研究中心郭鹏智博士及华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室乔现锋博士为共同第一作者完成。兰州交通大学夏养君教授、查尔姆斯理工大学王二刚教授、南京大学张春峰教授和高丽大学Han Young Woo教授为共同通讯作者。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202212084

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