复旦梁子骐教授AFM：掺入三元近红外非富勒烯有机太阳能电池中的第三组分动力学功能的机理研究- 大数跨境

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复旦梁子骐教授AFM：掺入三元近红外非富勒烯有机太阳能电池中的第三组分动力学功能的机理研究

科学材料站

2020-06-05

导读：本文以PTB7-Th供体（D）和IEICO-4F受体（A）的混合模式为例，揭示了近红外近红外光谱中电荷分离的关键问题。这些研究证实了D和A之间的有效电荷转移，以及光激发载流子的双子复合。

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掺入三元近红外非富勒烯有机太阳能电池中的第三组分动力学功能的机理研究

导读

有机太阳能电池（OSC）是由超低带隙非完全受体（NFA）组成，具有延伸到近红外（NIR）区域的光学吸收边缘，对半透明和串联器件具有重要意义。然而，由于电荷解离效率低而造成的巨大能量损失阻碍了它们的进一步发展。

针对上述现象，复旦大学的梁子骐教授和瑞典隆德大学、丹麦理工大学的郑凯波教授等人在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Mechanistic Investigation into Dynamic Function of Third-Component Incorporated in Ternary Near-Infrared Nonfullerene Organic Solar Cells”的文章。本文第一作者是Zhuoyan Wang。

本文以PTB7-Th供体（D）和IEICO-4F受体（A）的混合模式为例，揭示了近红外近红外光谱中电荷分离的关键问题。这些研究证实了D和A之间的有效电荷转移，以及光激发载流子的双子复合。揭示了制约电荷分离的两个关键因素：共混物中各相的连接不连续性和长寿命界面电荷转移态（CTS）。通过将基准ITIC或PC₇₁BM的第三组分与不同的摩尔比结合起来，这两个问题得到了很好的解决，但在明显的影响机制中。TIC分子调节膜的形态，为电荷传输创造更多的连续路径，而PC71BM则减少CTS，增强D/A界面的电子传输。因此，在混合物中含有0.3 wt%ITIC和0.1 wt%PC₇₁BM的最佳未处理三元OSC提供21.9和25.4 mA cm^-2的更高J_SC值，从而分别增加10.2%和10.6%的PCE。

背景简介

1. 什么是体异质有机太阳能电池？

体异质结有机太阳能电池（OSCs）因其重量轻、机械柔韧性好、溶液可加工性好以及具有大规模生产能力而被认为是一种很有前途的太阳能转换系统。传统的OSC由二元供体和受体材料组成，后者可分为富勒烯受体（FAs）和非富勒烯受体（NFAs）。当NFA处于早期良好状态时，已经很好地建立了FAs，但由于其不同的化学结构、可调的能级以及NFA和供体之间有效电荷转移的实现，它们显示出比FA类似物更光明的前景。特别感兴趣的是那些超低带隙（例如≤≈1.25 eV）具有延伸至近红外（NIR）区域（即750–1000纳米）的光学吸收边缘的NFA。当将这些近红外光谱与宽范围的聚合物施主相结合时，可以达到更广泛和互补的光吸收范围，这在很大程度上有利于光伏性能。

2.近红外系统中的两个障碍

然而，低短路电流密度（J _SC）和开路电压（V _OC）是基于NIR的系统中的两个障碍，两者本质上都与低效率的界面电荷解离有关。在一个由介质聚合物供体和近红外NFA组成的二元混合物中，通常存在较大的能量最低未占据分子轨道（LUMO）能级的偏移，导致施主HOMO（即最高占据分子轨道）和受主LUMO能级之间的间隙更紧。这将有助于界面双子复合，产生一个潜在的大电压损失。另一方面，在基于NIR-NFA的最新OSC中，包含2-（（Z）-2-（（5-（7-（5-（（（（1Z，2Z）-1-（cyano（异氰基）亚甲基）-5,6-二氟-3-氧代-1,3-二氢-2H-茚满-2-亚基）甲基）-3-（（（2-乙基己基）氧基）噻吩-2-基）-4 ，4,9,9-四（4-己基苯基）-4,9-二氢-s-茚满[1,2-b：5,6-b']二噻吩-2-基）-4-（（（2- （乙基己基）氧基）噻吩-2-基）亚甲基）-5,6-二氟-3-氧代-2,3-二氢-1H-茚满-1-亚烷基）丙二腈（IEICO-4F），严重电荷由于聚合物供体和受体的良好混溶性，重组仍然存在，这阻碍了相分离，从而实现了有效的电荷分离和运输。为了解决NIR-NFA-OSCs中HOMO能级和LUMO能级偏移量较大时界面电荷分离的上述两个问题，形成精细的混合膜形貌具有重要意义，而增强光诱导电荷转移具有重要作用，因为长电荷转移状态（CTS）损害激子的离解。因此，一种可行的方法是通过明智地选择第三组分并调整其摩尔比来构建三元混合OSCs，从而协同优化薄膜形貌、增强光吸收和促进电荷传输。

核心内容

在这项工作中，作者着手研究基于中等E_g聚[4,8-双（5-（2-乙基己基）噻吩-2-基）苯并[1,2-b：4,5-b']二噻吩-co-3-氟氟噻吩[3,4-b]噻吩 -2-羧酸盐]（PTB7-Th）供体（D）和IEICO-4F受体（A）的基准二元共混NIR-NFA系统，该系统仍然受J _SC和V _OC低的困扰。

作者的研究证实，光激发后，PTB7–Th和IEICO–4F之间的电子和空穴都可以有效转移电荷，而分离的自由电荷载流子的寿命却很短。据推测，这是由于在混合膜中PTB7-Th和IEICO-4F之间的优异混溶性以及在分离的电荷载体之间的小能量间隙，导致界面区域发生了严重的电荷复合。因此，通过掺入3,9-双（2-亚甲基-（3-（1,1-二氰基亚甲基）-茚满酮）-5,5,11,11-四（4-己基苯基）-二硫代[2,3 -d：2'，3'-d']-s-茚满[1,2-b：5,6-b']二噻吩（ITIC）或苯基-C71-丁酸甲酯（PC71BM）作为介体，其中ITIC与PTB7-Th具有良好的混溶性，而PC71BM具有出色的电子提取能力，旨在增强界面电荷分离，因此，基于PTB7-Th：IEICO-4F的最佳三元OSC：ITIC（1：1.5：0.3，wt％）和PTB7-Th：IEICO-4F：PC71BM（1：1.5：0.1，wt％）共混物分别提供更高的J_SC值21.9和25.4 mA cm^-2，产生增强的相对于相应的二元器件（21.5 mA cm^-2，9.3％），PCE分别为10.2％和10.6％。

更重要的是，这项研究揭示了常规二元NIR-NFA OSC中有效分离电荷的两个主要的独立光物理问题，即长寿命界面CTS和具有不连续小尺寸域的短程电荷传输。集成适当的第三组件可能会解决这些问题，但同时解决这两个缺陷的方法还有待开发。

图1. 光吸收和光致发光光谱

文章链接:

Mechanistic Investigation into Dynamic Function of Third-Component Incorporated in Ternary Near-Infrared Nonfullerene Organic Solar Cells

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202001564

老师简介:

梁子琪教授

梁子骐，男，1971年10月生，复旦大学材料科学系教授、博士生导师，入选中组部第二批青年千人计划、上海市浦江人才计划。于2012年9月回国组建了有机功能材料课题组，开展基于有机半导体材料的光电和热电能量转换研究。近五年来，以通讯作者发表Chem.Soc.Rev.、Energy Environ.Sci.、Adv.Mater.、Adv.Energy Mater.、Adv. Funct.Mater.等论文33篇，其中以复旦大学为第一通讯单位发表30篇。所发表论文被总共引用2000余次，近五年被引用近1500次。目前主持国家自然科学基金面上项目2项、上海市科委国际合作项目1项。

郑凯波教授

郑凯波，2010年博士毕业于复旦大学材料科学系物理电子学专业，与2010年至2018年赴瑞典隆德大学化学物理系瑞典皇家科学院院士Tonu Pullerits课题组从事博士后工作，现任丹麦技术大学化学系副教授，瑞典隆德大学化学物理系高级研究员。研究方向包括纳米结构光电材料的超快动力学与光物理过程，钙钛矿低维结构的器件机理与载流子动力学研究，光电材料的超快结构动力学研究。目前，已在国际著名期刊发表SCI论文90余篇，文章已被引用3400余次，H因子30。

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