南开大学陈永胜＆万相见团队在有机叠层太阳能电池方面取得新进展

有机太阳能电池具有柔性、质轻、材料来源广泛、可大面积印刷制备等特点和优点，在建筑一体化、可穿戴设备等方面具有巨大的应用潜力和发展前景。但相比于无机光伏器件，有机太阳电池的能量转换效率依然较低。理论和实验都证明，叠层器件是一种有效提高太阳能电池器件效率的方法，特别是对有机太阳能电池，它不仅可以降低单结有机太阳能电池的热损耗，还可以充分发挥有机分子结构和性能可调的优点，以满足叠层器件中不同活性层对太阳光谱吸收范围的不同要求。在高效叠层器件的构筑中，如何平衡前后子电池的开路电压（V_oc）和短路电流密度（J_sc）对于提升叠层器件整体性能至关重要，也是构筑叠层器件面临的一个重要挑战。

在前期工作中，南开大学陈永胜教授和万相见教授研究团队与国家纳米科学中心丁黎明研究员课题组等合作，提出了一个半经验模型，可有效指导有机叠层光伏器件前后子电池材料的设计。基于此模型，他们采用具有受体-给体-受体（A-D-A）结构的分子F-M作为前子电池受体，O6T-4F作为后子电池受体分子，构筑了光电转化效率（PCE）高达17.3%的串联叠层器件，刷新了当时领域的效率纪录。

图1. 通过前后子电池材料设计与器件优化实现效率19.55%的叠层有机太阳能电池

本研究工作中，基于上述半经验模型，陈永胜教授和万相见教授研究团队进一步精细设计了两个A-D-A型受体分子FBr-ThCl和BTP-4Se，并选用宽带隙给体分子D18与PM6分别与之搭配，不仅使得基于D18:FBr-ThCl与PM6:BTP-4Se:F-2F的前后子电池在300-1000 nm宽范围内具有较为互补的吸收，同时也实现了较高的子电池V_oc和J_sc。以全溶液处理的ZnO/PEDOT:PSS/PMA作为中间连接层构筑叠层器件，获得了19.55%的PCE，J_sc为13.25  mA cm^-2，V_oc达1.880 V，填充因子（FF）高达78.47%。这项工作表明子电池材料的设计与性能优化对叠层器件至关重要，兼具高V_oc和J_sc的子电池材料是获得高效率叠层有机太阳能电池的基础。考虑到有机材料多样性的优点，相信通过进一步材料设计与优化，可以获得更高效率的有机叠层太阳能电池。

图2. (a) 叠层器件结构；(b) 叠层器件能级图；(c) 光学模拟结果；(d) J-V 曲线；(e) 最佳叠层器件EQE曲线；(f) 光伏参数-光强依赖曲线。

详见: Lingxian Meng, Huazhe Liang, Guangkun Song, Mingpeng Li, Yuzhong Huang, Changzun Jiang, Kai Zhang, Fei Huang, Zhaoyang Yao, Chenxi Li, Xiangjian Wan & Yongsheng Chen. Tandem organic solar cells with efficiency over 19% via the careful subcell design and optimization. Sci. China Chem. 2022, DOI: 10.1007/s11426-022-1479-x.

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