武汉理工大学王涛教授：非富勒烯受体纤维化策略助力16.6%效率三元有机太阳能电池

摘要武汉理工大学王涛教授课题组通过在有机太阳能电池PBDB-T-2F:BTP-4F二元体系中引入非富勒烯受体IDMIC-4F纳米纤维来调控三元体系微纳形貌。第三组分纳米纤维在活性层中的纳米限域作用和纤维型电荷传输通道的形成有利于电荷分离和传输的微纳结构，使得电池器件的最高光伏转换效率从15.7%提高到16.6%。

有机太阳能电池因其光电性能可调控性强，可通过溶液法实现大面积制备，且具有柔性、质轻及可实现半透明等特点，而拥有巨大的研究与应用价值。随着新材料合成、形貌调控、界面工程以及器件结构等方面的不断研究，有机太阳能电池的光伏转换效率不断提高，目前报道的最高光伏转换效率已经达到18％。三元策略是一种将第三组份加入二元体系吸光层中，通过不同半导体材料的吸光互补特点来增强光吸收，并调节活性层形貌来减少电荷复合和提高填充因子，从而提高器件效率的方法。结构多样的非富勒烯受体的突破性进展也为三元有机太阳能电池的研究带来了更多的选择，为高性能器件的制备提供了更多的机会。

最近，王涛教授等设计合成了一种新型非富勒烯受体IDMIC-4F。通过减小非富勒烯电子受体ITIC稠环单元上烷基侧链的长度制备了IDMIC-4F，新受体IDMIC-4F的自组装能力显著提高，在纯膜、PBDB-T-2F:IDMIC-4F二元共混膜以及PBDB-T-2F:BTP-4F: IDMIC-4F三元共混膜中均可以经溶液涂膜形成纳米纤维。通过同步辐射掠入角小角散射测试发现，IDMIC-4F纳米纤维的存在可以产生纳米限域作用，在溶液干燥过程中限制主给体/受体组分的迁移聚集，减小相分离的尺寸。第三组分IDMIC-4F以纳米纤维的形式存在也为电子传输提供了通道，从而提高了电子迁移率。PBDB-T-2F:BTP-4F二元体系太阳能电池的光伏转换效率为15.7%，随着IDMIC-4F含量的增加，器件的开路电压逐渐增加，短路电流则在IDMIC-4F添加量为10 wt％时达到最高，从而使光伏转换效率提升至16.6％（如图所示）。该工作表明，非富勒烯受体纤维化策略在实现高效率有机太阳能电池中具有较大应用潜力。

该文将发表于Sci. China Chem. 2020 Emerging Investigator Issue。详见：Donghui Li, Xiaolong Chen, Jinglong Cai, Wei Li, Mengxue Chen, Yuchao Mao, Baocai Du, Joel A. Smith, Rachel C. Kilbride, Mary E. O’Kane, Xue Zhang, Yuan Zhuang, Pang Wang, Hui Wang, Dan Liu, Richard A. L. Jones, David G. Lidzey & Tao Wang. Non-fullerene acceptor fibrils enable efficient ternary organic solar cells with 16.6% efficiency. Sci. China Chem., 2020, DOI: 10.1007/s11426-019-9681-8.

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作者简介

李栋辉（第一作者），2018年9月至今于武汉理工大学材料科学与工程学院攻读博士学位，导师王涛教授，主要从事非富勒烯有机太阳能电池活性层形貌调控方面的研究。

王涛（通讯作者），武汉理工大学教授，博士生导师，湖北省特聘专家，湖北省杰出青年基金获得者，第四批国家“青年千人计划”入选者，英国皇家化学会会士，Reports on Progress in Physics编委。2009年获英国University of Surrey物理学博士学位，之后在英国University of Sheffield从事博士后研究。2013年加入武汉理工大学，主要从事太阳能电池材料与器件领域的研究。先后获得英国高分子物理学会Ian Macmillan Ward奖，湖北青年五四奖章，英国萨里大学“青年成就奖”等荣誉称号，现已在Joule, Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater.等刊物上发表SCI论文100余篇，授权国家发明专利6项。

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