三元有机太阳电池效率突破14% | Sci.Bull.

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国家纳米科学中心丁黎明课题组研发了一种高分子-富勒烯-非富勒烯三元有机太阳电池，单节有机太阳电池效率首次突破14%。该成果已在Science Bulletin发表。

背景介绍

       有机太阳电池因为其柔性、轻质、可溶液加工等特点而具有巨大商业应用前景。有机太阳电池活性层通常为二元体系，由一个电子给体和一个电子受体组成，给受体共混形成纳米尺度互穿网络结构，可提供足够激子解离界面和载流子快速传输通道。由于有机共轭分子有限的光吸收范围，二元活性层吸光范围较窄，不能充分覆盖太阳辐射光谱。近年来，利用吸收互补的三种材料（如：两给体一受体，一给体两受体）构筑高效三元有机太阳电池成为一个研究热点（[1] J. Phys. Chem. C, 2009, 113, 1620-1623）。由共轭高分子给体、富勒烯受体和非富勒烯受体构筑的三元太阳电池性能优越，它综合了富勒烯受体的高电子迁移率优势和非富勒烯受体的高可见-近红外吸光优势，能量转换效率（PCE）超过10％。

成果简介

        最近，国家纳米科学中心丁黎明课题组研发了一类新型碳氧桥梯形稠环单元，与传统的碳桥梯形稠环单元如吲哒省类分子（IDT，IDTT）相比，它具有更强的给电子能力和更大的分子平面，用它构筑的D-A共聚物给体材料或A-D-A非富勒烯受体材料具备更窄带隙，更优吸光能力，以及更强载流子传输能力，太阳电池可以获得更高短路电流密度（J_sc）、填充因子（FF）和PCE（[2] Sci. Bull., 2017, 62：1331-1336）。在此基础上，他们开发了基于八环碳氧桥梯形单元的非富勒烯受体材料CO_i8DFIC，其光学带隙仅为1.26 eV，在600-1000 nm范围内具有强吸光能力，CO_i8DFIC与给体PTB7-Th共混制备体异质结太阳电池获得12.16%的PCE和26.12 mA cm⁻²的J_sc（[3] Sci. Bull., 2017, 62, 1494-1497）。他们将富勒烯受体PC71BM引入COi8DFIC和PTB7-Th的二元体系中，经过系统优化，获得14.08％的能量转换效率，该效率为目前报道的单节有机太阳电池最高效率。添加一定量的PC71BM，活性层在短波和长波区的吸光能力明显增强，活性层电子迁移率明显提高，实现了更加平衡的载流子传输，电荷复合被进一步抑制， J_sc和FF有显著提高。该三元电池在近红外有较高的外量子效率（EQE），响应波长达1050 nm，将来在叠层电池和半透明电池方面都会有很好的应用。该研究工作以题为“Ternary organic solar cells offer 14% power conversion efficiency”在线发表在Science Bulletin ([4] Sci. Bull., 2017, DOI: 10.1016/j.scib.2017.11.003)。

图文导读

图1 高效三元有机太阳电池

(a) PTB7-Th，CO_i8DFIC和PC71BM分子结构

(b) PTB7-Th，CO_i8DFIC和PC71BM膜吸收光谱

(c) 能级图

(d) 二元和三元电池J-V曲线

(e) 二元和三元电池EQE曲线

小  结

       丁黎明课题组研发一种高分子-富勒烯-非富勒烯三元有机太阳电池，富勒烯受体的引入大幅改善了电子传输，电池短路电流密度得到显著提高，单节有机太阳电池效率首次突破14%。本工作表明高分子-富勒烯-非富勒烯三元太阳电池具有很大潜力。

推荐阅读

[1] H. Kim, M. Shin, Y. Kim. Distinct annealing temperature in polymer: fullerene:polymer ternary blend solar cells. J Phys Chem C, 2009, 113, 1620-1623

[2] Z. Xiao, F. Liu, X. Geng, et al. A carbon-oxygen-bridged ladder-type building block for efficient donor and acceptor materials used in organic solar cells. Sci Bull, 2017, 62(19): 1331-1336

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095927317304851

[3] Z. Xiao, X. Jia, D. Li, et al. 26 mA cm⁻² J_sc from organic solar cells with a low-bandgap nonfullerene acceptor. Sci Bull, 2017, 62(22): 1494-1496

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095927317305340

[4] Z. Xiao, X. JIa, L. Ding. Ternary organic solar cells offer 14% power conversion efficiency. Sci Bull, 2017, DOI: 10.1016/j.scib.2017.11.003

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095927317305571

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