近日，国家纳米科学中心周二军研究员与北京航空航天大学孙艳明教授、东华大学马在飞教授合作，在降低有机太阳能电池（OSC）的非辐射复合损失方面取得了重要进展，通过氯原子取代噻吩侧链和噻吩π桥的策略，含氯聚合物体系（PBT1-C-2Cl和PBDB-T-2Cl）均实现了高达1.3 V的开路电压（Voc），以及1.9×10-3和1.0×10-3的电致发光外量子效率（EQEEL），如下图所示。相应的非辐射复合电压损失（ΔVnon-rad）分别为0.16 V和0.17 V，是迄今文献报道的溶液处理有机太阳能电池的最低值。相关研究发表在Adv. Mater.上。
图1. 四种材料组合体系的非辐射复合电压损失和EQEEL
在过去十年里，溶液加工制备本体异质结（BHJ）有机太阳能电池发展迅速，其能量转换效率（PCE）已经超过18%，但是仍落后于硅基和钙钛矿太阳能电池。OSCs的器件效率由短路电流（Jsc），Voc和填充因子（FF）决定，在这三个参数当中，Jsc和FF已取得了巨大的突破，可以媲美其他类型的太阳能电池。但相比于钙钛矿太阳能电池，其Voc仍然较低，其主要原因是存在较大的能量损失（一般会>0.6 eV）。
OSCs的电压损失（Vloss）主要来源于三个方面，如公式（1）所示：
其中较大的非辐射电压损失是导致OSC不同于其他类型太阳能电池的主要原因。ΔVnon-rad可由EQEEL表征计算得出，其值普遍大于0.2 V，另外给受体界面形成的电荷转移态（CT态）是OSCs中高的非辐射复合损失和低的EQEEL的主要原因。氯取代是一种有效的高性能给体材料的设计策略，本课题组前期也报道过氯取代的苯并三氮唑（BTA）给体聚合物在降低非辐射复合损失上具有显著的作用（Chem. Mater., 2019, 31, 3941）。为了建立材料化学结构和能量损失之间的关系，进而从分子设计的角度降低非辐射复合损失，本文采用了氯取代和不含氯的两组D-π-A型聚合物给体（PBT1-C/PBDB-T和PBT1-C-2Cl/PBDB-T-2Cl）和一个宽带隙非富勒烯受体BTA3，来构建有机太阳能电池，系统研究了不同位置氯取代对ΔVnon-rad的影响。通过将氯原子引入噻吩π桥和噻吩侧链，四个体系均获得了高于1.70 eV的电荷转移态能量（ECT），单线态（S1）和CT态之间的能量差（ΔECT）降低到~ 0.1eV。值得注意的是在PBT1-C-2Cl和PBDB-T-2Cl两个含氯体系中，器件均实现了高达1.3V的Voc以及1.9×10-3和1.0×10-3的高EQEEL，相应的ΔVnon-rad分别抑制到了0.16 V和0.17 V，总能量损失降低至0.52 V，明显低于不含氯的聚合物体系。据作者所知，0.16 V的ΔVnon-rad是迄今文献报道的溶液处理制备OSCs的最低值。这项工作表明，在D-π-A型共轭聚合物的不同位置的氯取代是降低器件ΔVnon-rad的一种简单而有效的策略，对降低OSCs的能量损失及进一步提高器件性能提供了重要的指导意义。
以上结果得到国家自然科学基金、科技部重点研发计划、中科院“百人计划”、“先导计划”等项目的支持。
Solution‐Processed Organic Solar Cells with High Open‐Circuit Voltage of 1.3 V and Low Non‐Radiative Voltage Loss of 0.16 V
Ning An, Yunhao Cai, Hongbo Wu, Ailing Tang, Kangning Zhang, Xiaotao Hao, Zaifei Ma, Qiang Guo, Hwa Sook Ryu, Han Young Woo, Yanming Sun, Erjun Zhou
Adv. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adma.202002122
https://www.x-mol.com/university/faculty/19051
https://www.x-mol.com/university/faculty/49973
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