北京交通大学张福俊教授：能量转换效率超过16.7%的三元有机光伏器件

    北京交通大学张福俊教授课题组首次利用拉曼光谱图形化表征了第三组分在混合薄膜中的分布趋势，为进一步理解器件的工作机理提供了参考依据。

三元策略已被广泛证实是制备高性能有机光伏器件的有效方法。第三组份的引入可有效优化活性层光子俘获、活性层形貌及分子排布方式，进而提高器件的性能。从三元有机光伏器件相关研究的年发文量（图1）可以看出，三元策略已被广泛认可和采用，且已成为有机光伏领域中一个重要的研究方向。                   

图1. 2010-2018年三元有机光伏器件相关文章的发表数量

北京交通大学张福俊教授课题组是国内较早开展三元有机光伏器件研究的课题组之一。7年来，该课题组针对三元体系开展了较系统的研究工作，在材料甄选、工艺优化、机理研究等方面为制备高效率三元有机光伏器件积累了丰富的实验经验和分析方法，提出了采用三元策略调控活性层在不同波段的光子收集能力，制备出高性能的半透明有机光伏器件（Nano Energy 2019, 55, 424）。此外，还独创性地提出了一些新的表征手段：1）提出利用截止滤光片研究三元有机光伏器件在特定波段光照下，器件的光伏参数随第三组份掺杂比例的变化规律，揭示三元体系中载流子传输机制（Nano Energy, 2016, 30, 276; Adv. Energy Mater., 2018, 8,1801968）；2）结合纯给/受体器件的J-V曲线和PL光谱，研究材料间电荷转移和能量传递的过程（Adv. Energy Mater., 2018, 8, 1702854; Energy Environ. Sci., 2018, 11, 2134）；3）提出利用活性层吸收光谱研究第三组份对活性层光子收集的影响，设计了新型的器件结构研究器件内的本征寄生吸收（Energy Environ. Sci., 2018, 11, 841）；4）为深入研究第三组份对三元有机光伏器件J_SC和FF的影响，提出利用传输矩阵法模拟活性层内部的光场分布并计算活性层中的光生激子分布（J. Mater. Chem. A, 2019, 7, 7843）。

最近，该课题组首次利用拉曼光谱图形化表征了第三组分在混合薄膜中的分布趋势，为进一步理解器件的工作机理提供了参考依据，文章在线发布于Sci. China Chem.。

作者以PBDB-T-2Cl:Y6为主体系，在保持主体系给受体质量比不变的情况下，额外掺入PC₇₁BM作为形貌调节剂，制备出PCE为16.71%的三元有机光伏器件（图2a）。该三元有机光伏器件在中国计量科学研究院的验证效率为16.0%。PC₇₁BM作为形貌调节剂能够有效优化活性层的相分离程度、给/受体域尺寸和分子排布，提高了活性层的光子俘获、激子解离和电荷传输。同时，较高电子迁移率的PC₇₁BM能够与Y6混合形成有效的电子传输通道，有利于三元有机光伏器件中的电荷传输和收集。最终，优化的三元有机光伏器件的J_SC和FF得到同时提升。

图2. (a)二元和三元有机光伏器件的J-V曲线及相应器件光伏参数；(b)PBDB-T-2Cl:Y6:PC₇₁BM混合薄膜的拉曼Mapping成像，红色、蓝色和绿色区域分别对应于混合薄膜中的PBDB-T-2Cl、Y6和PC₇₁BM。

该项工作中作者首次利用拉曼Mapping成像技术研究了第三组份在混合薄膜中的分布情况。如图2b所示，PC₇₁BM在三元混合薄膜中倾向于与Y6混合，表明PC₇₁BM与Y6具有良好的相容性。此外，在PBDB-T-2Cl:Y6主体系中掺入具有较高LUMO能级的PC₇₁BM并没有提高三元有机光伏器件的V_OC，这是由于PC₇₁BM上的光生电子倾向于转移到具有较低LUMO能级的Y6上，活性层中绝大多数的光生电子将沿着Y6形成的传输通道进行传输。因此，三元有机光伏器件的V_OC主要由PBDB-T-2Cl的HOMO与Y6的LUMO能级之间的差异决定，导致三元有机光伏器件与PBDB-T-2Cl:Y6二元有机光伏器件具有相同的V_OC。

相关研究结果近期发表于SCIENCE CHINA Chemistry 2020年第一期。论文第一作者为北京交通大学博士研究生高进华，通讯作者为张福俊教授。

详见：Jinhua Gao, Jian Wang, Qiaoshi An, Xiaoling Ma, Zhenghao Hu, Chunyu Xu, Xiaoli Zhang, Fujun Zhang. Over 16.7% efficiency of ternary organic photovoltaics by employing extra PC71BM as morphology regulator. Sci. China Chem., 2020, 63(1): 83-91.

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通讯作者简介

张福俊，北京交通大学教授，博士生导师，主要从事光电子材料与器件的研究工作。在Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., Energy Environ. Sci., ACS Energy Lett., NanoLett., Nano Energy等影响因子大于10的期刊上发表论文40余篇，累计被引6500余次，共18篇论文入选ESI高被引论文，1篇第一作者论文入选“中国百篇最具影响国际学术论文”。窄带响应倍增型有机光电探测器的研究工作入选“2017年中国光学十大进展”，2018年获北京市科学技术奖三等奖（排名第一）。

课题组主页: 

http://www.escience.cn/people/zhangfujungroup/index.html