通过向高效的双组份太阳能电池活性层中加入第三组分来制备三组分太阳能电池是目前最广泛使用的提高光伏器件效率的策略之一。然而，第三组分的引入往往会对给体或受体的结晶性、以及给/受体相分离尺寸产生负面且不可控的影响，使得器件的工作参数很难得到全面提高，同时也极大地影响了器件的稳定性。因此，对于三组分太阳能电池，活性层结晶行为以及相分离尺寸的精准调控是目前的难点之一。
近年来，陈义旺教授课题组在有机太阳能电池活性层结晶性和相分离尺寸精准调控方面做了大量工作，建立了一系列对活性层的结晶性，以及相分离尺寸进行精准调控的方法，并因此大幅度提高器件的效率及稳定性。例如，使用液晶分子、高结晶聚合物纳米线、混合溶剂处理活性层，可以有效调控给体相结晶性，提高异质结界面稳定性。而使用低沸点添加剂丁二硫醇代替常用的二碘辛烷，由于丁二硫醇较易挥发，在调节并改善活性层形貌的同时，阻止了自由基引发光降解，提高了玻璃化转变温度，进而改善了器件的光和热稳定性。(Macromol. Rapid Commun. 2017, ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, J. Phys. Chem. C 2015a, 2015b, Phys. Chem. Chem. Phys. 2015, 2016, J. Mater. Chem. A 2016, J. Polym. Sci., Part A: Polym. Chem. 2017 Invited article, Mater. Chem. Front. 2017 Invited article)。此外，课题组通过Huggins参数研究三元组分的形貌演变，建立了三元组分有机太阳能电池相行为形成规律。并基于超薄Ag作为透明电极制备了三元半透明器件，器件效率高达9.2%。(J. Mater. Chem. C 2017, Adv. Funct. Mater. 2018)。
在此基础上，陈义旺教授和谌烈教授研究团队针对三组分太阳能电池活性层结晶行为及其形貌调控展开了进一步的研究。通过向基于PBDB-T:ITIC体系的双组份太阳能电池中引入端基四氟取代的中等带隙非富勒烯受体ITIF，利用“合金”受体调控活性层结晶行为、相分离以及形貌，来进一步提高三组分太阳能电池的填充因子，并通过吸收和能级的优化，实现了光伏器件的工作参数，乃至器件效率的全面提升。
对于受体ITIF，由于具有和ITIC相同的骨架结构，促使其与ITIC混合后形成了新的“合金”受体。而独特的含氟非平面端基结构，使得ITIF具备了调控“合金”受体结晶性和表面能的能力。因此，通过调节ITIF的含量，可以方便地对“合金”受体结晶行为，以及活性层给/受体相分离进行调控，进而优化活性层形貌，提高了活性层的载流子迁移率和填充因子。此外，非平面端基的引入明显提高了受体的LUMO能级，同时还扩大了受体带隙，使之可以弥补PBDB-T:ITIC混合膜在500-600 nm处的光吸收。另一方面，氟原子的增色作用也大大提高了ITIF的吸收系数（ITIC及PBDB-T的1.5倍左右）。受益于ITIF高的吸收系数和两个受体之间快速的能量共振转移，相应三组分太阳能电池的短路电流得到了明显提高。更有趣的是，通过ITIF对“合金”受体能级的影响，还可以实现对开路电压的精准调控。最终，在引入5% ITIF受体的条件下，由于短路电流，开路电压和填充因子的全面提升，相应太阳能电池的光电转换效率从9.2%提高到了10.5%。
图1. (a) 给体PBDB-T以及受体ITIC与ITIF的结构式；(b) 基于PBDB-T:ITIF:ITIC的三组分太阳能电池工作示意图；(c) 基于PBDB-T:ITIF:ITIC的三组分太阳能电池J-V曲线图；(d) 不同浓度下光伏器件开路电压以及相应能量损失图。
该研究为三组分有机太阳能电池的结晶行为调控以及性能的优化提供了新的研究思路。相关工作近期发表在《advanced functional materials》上，南昌大学化学学院博士后吕瑞之为第一作者，南昌大学陈义旺教授和谌烈教授为共同通讯作者。
原文链接：
Ruizhi Lv, Dong Chen, Xunfan Liao, Lie Chen,* and Yiwang Chen*, A Terminally Tetrafluorinated Nonfullerene Acceptor for Well-Performing Alloy Ternary Solar Cells, Adv. Funct. Mater. 2019, 1805872.
DOI: 10.1002/adfm.201805872
https://doi.org/10.1002/adfm.201805872
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