基于非卤素溶剂的效率超14%太阳能电池组件 | Cell Press青促会述评

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物质科学

Physical science

作为世界领先的全科学领域学术出版社，细胞出版社特与“中国科学院青年创新促进会”合作开设“青促会述评”专栏，以期增进学术互动，促进国际交流。

第二十一期专栏文章，由来自中国科学院过程工程研究所副研究员 中国科学院青年创新促进会会员 苗青青，就 Joule 中的论文发表述评。

有机太阳能电池（Organic solar cell，OSC）能够通过高通量印刷技术制造，在研制大面积太阳能电池板和多彩半透明器件方面，具有很大潜力，因此获得了广泛关注。基于传统富勒烯受体的OSC在光吸收、带隙可调性、电压损失等方面受到诸多限制，而基于非富勒烯受体的OSC则由于具有带隙可调节空间大、光吸收范围宽、能级可调性强、高开路电压、高效电荷生成和分离、低能量损失等优势，从而获得了快速发展。

最近，在非富勒烯受体方面最重大的突破之一是Y6及其衍生物，将单结OSC的光电转换效率提升至16%以上。虽然在非富勒烯受体的小面积器件中获得了令人鼓舞的结果，但当前模块器件的效率仍然远远落后。当前大面积模块的主要问题之一，是常用处理溶剂（如氯苯、氯仿等）具有毒性。另一主要问题是在旋涂小面积器件中，强烈的离心效应活性层可以快速被固化。然而在印刷大面积模组器件时，活性层要经过较长时间才能固化，尤其高沸点溶剂的处理会导致聚集进一步加强。因此，抑制活性层的过度聚集是减少小面积器件和大面积模块之间效率差距的一个重要策略。当前只有少数文献报道了非卤素溶剂处理的高性能OSC模块，最高效率为10.4%。除了上述策略外，侧链工程也是一种控制活性层纳米级形态及提高OSC光电性能的有效方法。

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针对上述问题，华南理工大学黄飞教授团队设计合成了一种具有长支烷基链的非富勒烯受体DTY6，与供体PM6混合后，使用无卤素溶剂邻二甲苯，构建的OSC获得了16.1%的光电转换效率。基于PM6:DTY6的不透明和半透明大面积器件（活性层面积18 cm²)， 分别获得了14.4%和11.6%的光电转换效率。其中14.4%经第三方认证机构认证效率为13.98%，这是迄今为止报告的最高模块效率。此外，当电池面积从0.04 cm²到18 cm²时，该器件效率从16.1%降至14.4%，保留了初始效率的89%，表现出了较高的可伸缩扩展性。其大面积器件的寿命在300小时的连续光照下，保持了初始效率的70%。该研究成果于8月24日发表在Cell Press旗下能源旗舰刊 Joule 上。

▲图1  基于PM6: DTY6、邻二甲苯溶剂的有机太阳能电池大面积器件（18 cm²）

▲图2 基于PM6: DTY6的不透明和半透明大面积器件（活性层面积18 cm²） 

相关研究结果表明，无长支烷基链的Y6在无卤素溶剂-邻二甲苯加工的混合薄膜中显示出强烈的聚集性，导致Y6向PM6的空穴传输效率降低，非辐射复合增强。而具有长支烷基链的DTY6则由于长支烷基链保证了溶剂处理能力，且长支烷基链的立体阻碍作用抑制了过度聚集，获得合理的尺寸，从而有效保证了DTY6向PM6的高效空穴转移和低的非辐射复合。

这项工作有效证明了DTY6在大面积器件构建中的兼容性。同时表明，侧链工程是获得基于非卤素溶剂处理的非富勒烯受体高效大面积器件的一种有效策略。

论文摘要

这项工作设计了一种非富勒烯受体DTY6，应用于有机太阳能电池（OSC）模块器件中。当与供体PM6混合、使用非卤素溶剂邻二甲苯时，基于DTY6的OSC表现出优异的性能，光电转换效率（PCE）超过16%。当使用邻二甲苯加工时，基于Y6的OSC表现出较差的器件性能（PCE<11%）。相关研究表明，由于Y6的过度聚集，导致Y6到PM6的空穴转移效率降低，非辐射复合增强。相反，基于DTY6的薄膜表现出较为合理的尺寸，从而保证了DTY6向PM6的高效空穴转移和低的非辐射复合。基于上述结果，通过基于PM6: DTY6的非卤素溶剂邻二甲苯处理的大面积(活性层面积18 cm²)不透明和半透明器件，分别获得了14.4%和11.6%的优异光电转换效率。

In this work, a non-fullerene acceptor DTY6 is designed to apply in organic solar cell (OSC) module devices. When blended with donor PM6, the DTY6-based OSCs exhibit excellent performance with power conversion efficiency (PCE) over 16% when using non-halogen solvent o-xylene. In contrast, the Y6-based OSCs show poor device performance (PCE < 11%) when processed with o-xylene. The detailed studies reveal that extremely large domains appear in the Y6-based blend film because of the excessive aggregation of Y6, which results in the lowly efficient hole transfer from Y6 to PM6 and enhanced non-radiative recombination. On the contrary, the DTY6-based film shows a more reasonable domain size, thus ensuring the efficient hole transfer from DTY6 to PM6 and low non-radiative recombination. Based on these results, non-halogen solvent o-xylene-processed large-area (active layer area 18 cm²) opaque and semi-transparent module devices based on PM6: DTY6 are fabricated by blade coating, and outstanding PCEs of 14.4% and 11.6% are obtained.

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中文内容仅供参考，请以英文原文为准

评述人简介

苗青青

中国科学院过程工程研究所副研究员

中国科学院青促会会员

苗青青，中国科学院过程工程研究所副研究员，中国科学院青促会会员，主要从事新能源材料、高效太阳能光电转换材料、新型太阳能电池、离子液体绿色合成及应用等研究，相关成果发表在国际知名期刊Chem. Soc. Rev. (高被引论文1%), Adv. Mater., J. Mater. Chem. A, ACS Appl. Mater. Interfaces., Chem. Commun.等上，被国际知名期刊如Chem Rev、JACS、Angew、AM、AFM 等多次引用并给予较高评价。申请专利7项，授权4项，参与专著2部。荣获2011年辽宁省自然科学学术成果奖一等奖（第1完成人），入选2017年度所青促会，入选2019年院青促会，现为院青促会过程所小组负责人、院青促会化学与材料分会第三届委员会委员、所青促会执行主席团成员。荣获后备人才计划及北京青少年科技创新大赛等活动的“全国优秀科技教师”、“优秀辅导教师”等称号。

Dr. Qingqing Miao is an Associate Professor in Institute of Process Engineering (IPE), Chinese Academy of Sciences (CAS). She mainly focuses on the new energy materials, high-efficient photoelectric materials, new types of solar cells, green synthesis of ionic liquids and their applications. The related researches have been published in the leading journals of Chem. Soc. Rev. (High cited papers 1%), Adv. Mater., J. Mater. Chem. A, ACS Appl. Mater. Interfaces., Chem. Commun., etc. The papers have been cited by Chem Rev、JACS、Angew、AM、AFM, etc. She has been honored with the First Prize of Natural Science Academic Achievements of Liaoning Province in 2011. She was a member of Youth Innovation Promotion Association of IPE, CAS in 2017 and a member of Youth Innovation Promotion Association of CAS in 2019. She was honored as the Annual National Excellent Technology Teacher and the Annual Excellent Guidance Teacher by the Beijing Reserve Talent Plan and Youth Science and Technology Innovation Competition.

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相关论文信息

原文刊载于CellPress细胞出版社旗下期刊 Joule 上，

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中国科学院青年创新促进会（Youth Innovation Promotion Association，Chinese Academy of Sciences）于2011年6月成立，是中科院对青年科技人才进行综合培养的创新举措，旨在通过有效组织和支持，团结、凝聚全院的青年科技工作者，拓宽学术视野，促进相互交流和学科交叉，提升科研活动组织能力，培养造就新一代学术技术带头人。

Youth Innovation Promotion Association (YIPA) was founded in 2011 by the Chinese Academy of Science (CAS). It aims to provide support for excellent young scientists by promoting their academic vision and interdisciplinary research. YIPA has currently more than 4000 members from 109 institutions and across multiple disciplines, including Life Sciences, Earth Science, Chemistry& Material, Mathematics & Physics, and Engineering. They are organized in 6 discipline branches and 13 local branches.

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