点击科学材料站,关注我们
促进电荷分离，使得三元有机太阳能电池效率超过17.5%
第一作者：马清
通讯作者：孟磊*，宛岩*，张占军*，李永舫*
单位：中国科学院大学，中国科学院化学研究所，北京师范大学
研究背景
有机太阳能电池 (OSCs) 作为一种新兴的能源技术，因其具有柔韧性好、重量轻以及可以制备成半透明器件等优点而引起人们的广泛关注。传统的单结OSC器件是给体和受体两种组分混合来构成活性层，这样的活性层吸收很难覆盖整个可见-近红外区域，导致短路电流密度(Jsc)会受到限制。
开路电压(Voc)是由给体的最高占据分子轨道(HOMO)能级与受体的最低未占据分子轨道(LUMO)能级之间的能级差决定，给体和受体材料之间过大的HOMO能级差会导致较高的电压损失(Vloss)。
为了协调Jsc和Voc之间的关系，可以通过引入第三组分的策略，即两个给体一个受体，或者一个给体两个受体，使第三组分与两个主要的给体和受体组分吸收互补和能级匹配，可以获得更高的效率。
文章简介
近日，中国科学院化学研究所李永舫课题组与中国科学院大学张占军课题组在国际顶级期刊Nano Energy (影响因子：16.602) 上发表题为“Promoting charge separation resulting in ternary organic solar cells efficiency over 17.5%“ 的研究工作。
他们合成了一种非富勒烯小分子受体(C8-DTC)，并将其作为第三组分（第二种受体）加入到PM6为给体和Y6为受体的有机太阳能电池活性层中。当加入10% 的C8-DTC作为第二受体后，器件开路电压、短路电流密度和填充因子均有显著提高，实现了17.52%的能量转化效率。
研究发现，PM6:Y6共混物中加入少量的C8-DTC可以提供额外电荷传输通道，并可增强电荷分离和降低非辐射能量损耗。三元体系同时具有良好的相分离形貌，有利于形成纳米互穿网络结构，促进电子和空穴运输。结果表明，以C8-DTC作为第二受体形成三元体系是提高基于PM6:Y6有机太阳能电池性能的有效方法。
该文章第一作者为中国科学院大学博士研究生马清
李永舫院士，孟磊研究员，张占军教授，宛岩教授为本文共同通讯作者
要点解析
图1.
图1(a)是三种光伏材料的分子结构，PM6, Y6 和C8-DTC三种薄膜的紫外可见吸收光谱吸收峰分别在620 nm，730nm 和 840nm。这表明在300 nm-1000 nm 光谱范围内三种材料吸收互补。
与Y6相比，C8-DTC表现出更高的LUMO水平，有利于三元OSCs中Voc的增加，而C8-DTC与PM6和Y6的HOMO、LUMO能级形成能级梯度，这有利于三元OSCs中的电荷转移。
图2.
图2是三元有机太阳能电池的光伏性能表征结果。
从图2(a)中可以看出，相比二元体系，第二受体组分的加入使得器件的开路电压、短路电流密度和填充因子都有了显著的提高。
在图2(b)中，第二受体的加入使得器件在730nm波长左右的吸收更强，提高了器件的短路电流密度。
从图2(c)和2(d)两幅图可以看出，在PM6:Y6体系引入10% 的C8-DTC可以减小双分子复合并且提升激子解离效率。
图3.
图4.
图4为采用飞秒瞬态吸收光谱(fsTA)对二元PM6:Y6和三元PM6:Y6:C8-DTC共混薄膜进行表征的结果。
如图4a所示，首先选择性地激发了Y6受体，立刻在850 nm处观察到了Y6的基态漂白信号（GSB），与此同时在636 nm处产生了另一个GSB, 这与PM6的吸收相对应。这种GSB是由Y6激发态到PM6的超快空穴转移引起的，产生了PM6+-Y6-电荷转移态(图4d 中的CT1)。
然后他们比较了三元共混薄膜 (图4a)和二元共混薄膜(图4b)的fsTA光谱，这两个光谱的主要区别是在740 nm处，三元共混薄膜有更强的GSB信号，与C8-DTC的吸收峰相对应。我们将这种GSB归因于C8-DTC+-Y6- (图4d中的CT2)的电荷转移态，其来自于Y6到C8-DTC的超快空穴转移。
值得注意的是，由于Y6本身的吸收在740 nm也出现了GSB信号，和C8-DTC有部分重叠，但是其在三元共混薄膜中表现出比二元共混薄膜更高的强度和不同的动力学，如图4c所示。
因此我们可以得出结论，第三组分C8-DTC在电荷转移过程中发挥了重要作用，为Y6到PM6的空穴转移的额外途径。C8-DTC的加入促进了Y6激子的解离，提高了共混薄膜中的电荷转移率，从而提高了太阳能电池的性能。
图5.
三元器件Voc的提升是由于其光学带隙的增加(二元:1.398 eV，三元:1.410 eV)。同时三元器件的吸收光谱和发射光谱的蓝移(图5a,b)也表明，引入C8-DTC后，光学带隙发生了变化。带隙变化的原因可能是C8-DTC的引入减弱了Y6的聚集，而抑制聚集导致Y6吸收蓝移。
更重要的是，三元器件的EQEEL值(0.025%)高于二元器件的EQEEL值(0.011%)，如图4c所示，进一步表明C8-DTC可能抑制Y6聚集。因此，三元非辐射复合损失E3 (0.215 eV)比二元组(0.236 eV) 减少。
此外，三元器件没有表现出任何附加的亚带隙的吸收或发射，这使得两器件的E2非常接近。文章研究表明，光学带隙的变化和非辐射能量损耗是三元器件中Voc 提升的主要原因。
结论
在此工作中，在PM6:Y6的二元体系中加入C8-DTC作为第二受体，使三元有机太阳能器件获得了17.52% 的光电转化效率。与二元体系相比，第三组分的加入使三元有机太阳能器件的Voc、Jsc和FF都有显著提高。
通过深入研究分子堆积形貌、电荷传输和复合特性，发现C8-DTC的加入可以促进激子分离，提升载流子运输并且抑制电荷复合，从而降低Vloss最终获得更高的PCE。结果表明，以C8-DTC作为第三组分形成三元体系是提高基于PM6:Y6有机太阳能电池性能的有效方法。
投稿请联系contact@scimaterials.cn
点击“在看”分享你的观点
