颜河教授课题组ACS Energy Letters：小量添加第三组分助力高效三元单结太阳能电池- 大数跨境

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颜河教授课题组ACS Energy Letters：小量添加第三组分助力高效三元单结太阳能电池

科学材料站

2020-08-07

导读：本文通过向PM6:Y6二元体系中引入具有更高LUMO能级和更低互溶能力的不同种非富勒烯受体材料ITCPTC, N7IT和PF2-DTC，成功通过极少量添加策略取得相较于二元体系更高的能量转换效率，含I

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添加具有较弱互溶能力、较高LUMO能级的第三组分获得高效三元有机太阳能电池

作者：马睿杰1，刘焘1*，罗正辉1，高珂*，陈凯，张光烨*，高威，肖轶群，刘子麒，凡群平，陈于中，马力权*，孙会靓，蔡贵龙，杨涛，路新慧，王二刚，杨楚罗，任广禹，颜河*

单位：香港科技大学，华盛顿大学，西安交通大学，易柔光伏有限公司，香港城市大学，香港中文大学，查姆斯理工大学，武汉大学，阿威罗大学

背景简介

制备三元器件是一个有机太阳能电池领域中一个极具前景的研究方向。三元混膜中的第三组分往往起到了调控形貌，调节能级和拓宽吸收等多重作用。近年来，研究者开发出了多种高效率的非富勒烯受体，持续突破了传统观念的效率极限。各式各样的非富勒烯受体以及高性能聚合物给体为制备三元器件提供了丰富的选择。

文章介绍

近日，香港科技大学颜河教授课题组联合其他课题组在国际顶级期刊ACS Energy Letters (影响因子：19.003) 上发表题为“Adding a third component with reduced miscibility and higher LUMO level enables efficient ternary organic solar cells”的研究工作。

该工作通过向PM6:Y6二元体系中引入具有更高LUMO能级和更低互溶能力的不同种非富勒烯受体材料ITCPTC, N7IT和PF2-DTC，成功通过极少量添加的策略（约5%）取得了相较于二元体系（PCE=16.44%）更高的能量转换效率，其中含ITCPTC的三元体系PCE高达17.42%。

较高的LUMO能级可以提高体系的开路电压（VOC），较低的互溶能力使得材料的纯相尺度适度增大，因而提高了体系的短路电流（JSC）和填充因子(FF)。含N7IT和PF2-DTC的三元体系，也分别取得了不同程度的效率提高，16.96%和17.04%。该工作为制备高效有机太阳能电池提供了一个可能广泛适用的思路，对于领域发展具有重大意义。

该文章共同第一作者为香港科技大学博士生马睿杰，刘焘博士和罗正辉博士。香港科技大学颜河教授，刘焘博士，西雅图大学高珂博士和易柔光伏有限公司张光烨博士为文章共同通讯作者。

要点解析

要点一：材料化学结构及本征性质

图1.

该工作所选用材料的（a）化学结构式，（b）能级以及（c）紫外-可见光吸收谱。

要点二：高效三元电池的光伏特性

图2.

（a）不同质量比例混合的薄膜紫外-可见光吸收谱,

（b) 太阳能电池器件的光伏特性曲线，

（c）光子-电子转化效率和

（d）光电流-有效电压关系曲线。

要点三：给受体材料薄膜表面张力表征

图3.

PM6, Y6, ITCPTC以及Y6:ITCPTC (w:w=0.95:0.05)的薄膜表面水接触角和乙二醇接触角。

表格：接触角，表面张力γ, 和相互作用系数 χ.

Surface	θ_water(°)	θ_EG(°)	γ(mN m^-1)^a	χ^D-A^b
PM6	107.17	75.57	32.008
Y6	90.41	59.17	33.495	0.017
ITCPTC	90.23	69.69	22.174	0.900
Y6:ITCPTC	90.75	63.03	28.972	0.076

通过测试薄膜表面的水接触角和乙二醇接触角，从而估算出材料的表面张力，最后得出材料之间的相互作用系数。PM6与Y6之间的相互作用系数最低，意味着二者互溶性极好，而ITCPTC与PM6之间的互溶性就明显较差，通过少量加入ITCPTC，给体材料PM6与受体之间的互溶性被削弱，导致相分离尺度适当增大，有利于减少薄膜中的激子复合，提高了期间的短路电流和填充因子。

要点四：含N7IT和PF2-DTC的三元器件光伏特性

图4.

PM6:Y6:N7IT体系的（a）光伏特性曲线和（b）光子-电子转化效率

PM6:Y6:PF2-DTC体系的（a）光伏特性曲线和（b）光子-电子转化效率

结论

我们成功地将代表三种不同类型分子的三种不同NFA材料（即ITCPTC（对称小分子），N7IT（非对称小分子）和PF2-DTC（聚合物））应用于PM6：Y6宿主系统低重量比以获得三元混合物。这些分子的LUMO水平高于Y6，并且与Y6相比，与聚合物的相互作用参数差异很大。

当三元共混物用于太阳能电池时，它们可以通过同时增加开路电压，短路电流和填充因子来有效提高光伏性能。与效率为16.44％的PM6：Y6二元器件相比，基于ITCPTC的三元在低ITCPTC含量下（PM6：Y6：ITCPTC = 1：1.14：0.06）的PCE为17.42％。

形貌学特征表明，PM6与Y6之间的高度可混溶性通过相对不可混溶的第三种成分得以缓和，这导致了更大的区域和增强的互穿原纤维网络，进而导致增强的电荷传输和平衡的平衡以及更高效的电荷收集。

此外，还观察到基于ITCPTC和PF2-DTC的三元共混物的能量转移，这也应有助于提高JSC。

我们的结果表明，通过将少量相对不互溶的NFA掺入宿主系统中，可以改善基于Y6的先进单结有机太阳能电池的PCE。考虑到无需额外的化学工作量即可轻松进行材料筛选的过程，以及在三种不同的NFA系统中的成功演示，我们的方法在设计高效三元OSC方面具有巨大潜力，该三元OSC具有广泛的主体和第三组分材料，可用于未来的商业化。

文章链接:

Adding a third component with reduced miscibility and higher LUMO level enables efficient ternary organic solar cells

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.0c01364