有机太阳能电池具有低成本、质量轻、可大面积制备成柔性器件等优势，由此得到学术界和工业界的广泛关注。随着近年来非富勒烯受体材料和非富勒烯器件的出现和不断发展，有机太阳能电池器件的效率得到进一步的提升，单结二元共混器件的效率已经突破13%。然而，活性层的光谱吸收仍然是限制该类电池性能提高的关键因素之一。由于单个有机材料的吸收范围较窄，采用双组分的二元共混器件也仍然很难获得对太阳光谱的全波段吸收。所以，利用多种具有不同吸收范围的给、受体材料制备三元或者多元共混器件是解决光谱吸收问题的有效策略，但活性层组分数量的增加对活性层的形貌控制和相分离提出了更高的要求。目前研究较多的是具有D1:D2:A或D:A1:A2结构的三元共混器件。然而，已报道的三元共混器件存在组分兼容度不高的难题，而且大部分高效率的三元共混器件还需要以富勒烯衍生物为主要受体材料来制备。其原因在于高效率的非富勒烯受体材料多以低能隙小分子为主，理想的宽带系小分子受体材料仍然十分缺乏。
图1.（a）给、受体材料的分子结构；（b）器件的电流-电压曲线；（c）器件的外量子效率曲线。
在前期的工作中，四川大学化学学院的彭强教授课题组成功设计了一种以三维结构的螺芴为核心，两端连接两组2,1,3-苯并噻二唑（BT）共轭桥，并以3-乙基-2-(二氰基亚甲基)绕丹宁为端基的宽带隙小分子受体材料SFBRCN。该受体材料与PTB7-Th共混的二元非富勒烯器件具有10.26%的高效率（Adv. Mater., 2017, 29, 1606054）。近日，该课题组在PTB7-Th:SFBRCN二元共混体系中引入具有中等带隙的聚合物给体材料PBDB-T，形成D1:D2:A的三元结构，进一步拓宽了活性层的光谱吸收。当PBDB-T组分为30%时，他们获得12.27%的最好器件效率。与此同时，器件在整个第三组分添加的比例范围内均可以获得超过9%的效率，填充因子也能维持在65%以上，表现出较高的组分兼容度。此外，他们详细研究了该三元体系的能量与电荷传输机制，发现该共混体系除了形成常见的多重能量传输通道外，还在两个聚合物给体组分间形成空穴回传现象，这些机制都显著促进了该类三元共混器件性能的大幅度提高。12.27%的效率也是在当时报道的三元共混器件的最高效率。该工作对于以后设计高性能的三元和多元共混有机太阳能电池具有重要的指导意义，相关研究成果发表在Advanced Materials 上。
该论文作者为：Xiaopeng Xu, Zhaozhao Bi, Wei Ma, Zishuai Wang, Wallace C. H. Choy, Wenlin Wu, Guangjun Zhang, Ying Li, Qiang Peng
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Highly Efficient Ternary-Blend Polymer Solar Cells Enabled by a Nonfullerene Acceptor and Two Polymer Donors with a Broad Composition Tolerance
Adv. Mater., 2017, 29, 1704271, DOI: 10.1002/adma.201704271
导师介绍
彭强
http://www.x-mol.com/university/faculty/12794
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