侯劍輝JACS：大靜電勢差活性材料助力14.7%高效有機太陽能電池

【引言】

? 有機太陽能電池具有輕柔、低成本、高吞吐量等優點，受到研究者的熱捧。經過20多年的發展，有機光伏電池效率已經超過14%能量轉換效率，已經初步展現了其商業化的潛力。然而，即使最先進的有機光伏電池的效率仍然遠遠低于其他光伏電池（如硅、鈣鈦礦太陽能電池）。這主要是因為有機半導體材料較低的固有介電性能使得光生電子空穴對具有很強的庫倫結合能，這使得需要額外的能量驅動分離電子空穴對形成自由電荷。這種額外的驅動能量往往涉及到電荷轉移態的形成和解離。這導致器件的開路電壓與帶隙具有很大的能量偏移，從而限制了器件的性能。因此，有效降低分離電子空穴對所需的額外驅動力對于提升有機光伏電池的性能具有重要意義。

【研究簡介】

? 近日，中國科學院化學研究所侯劍輝研究團隊在JACS上發表了一篇名為“14.7% Efficiency Organic Photovoltaic Cells Enabled by Active Materials with a Large Electrostatic Potential Difference”的文章。該研究提出使用新的聚合物供體PTO2和非富勒烯IT-4F制備了單結效率為14.7%的有機光伏電池。研究發現PTO2和IT-F4結合可以在分子間形成大的靜電勢差有助于分離電子空穴對，從而可以有效的降低電子空穴分離的額外驅動力，這使得器件不僅可以獲得很高的外量子效率還可以具有最低的開路電壓損失。

【圖文簡介】

圖1 分子結構、吸收譜和能帶

A) PTO2和IT-4F的分子結構；

B) PTO2、IT-4F和PC₇₁BM的吸收譜；

C) 溶液氯苯的PTO2在不同溫度下的吸收譜；

D) 能帶結構；

E) PTO2:IT-4F的EL和s-EQE譜；

F) PTO2:PC₇₁BM的EL和s-EQE譜。

圖2 器件光伏性能

A) 最好的PTO2:IT-4F和PTO2:PC₇₁BM兩種器件的J-V曲線；

B) 80個器件的性能數據統計；

C) 認證效率；

D) PTO2:IT4F和PTO2:PC₇₁BM兩種器件的EQE；

E) Photo-CELIV曲線，用于計算載流子遷移率；

F) TPV測試載流子壽命。

圖3 PTO2:IT-4F和PTO2:PC₇₁BM薄膜形貌表征

A,B) PTO2:IT-4F和PTO2:PC₇₁BM薄膜AFM圖；

C,D) PTO2:IT-4F和PTO2:PC₇₁BM薄膜TEM圖；

E,F) PTO2:IT-4F和PTO2:PC₇₁BM薄膜2D GIWAXS圖；

G) PTO2:IT-4F和PTO2:PC₇₁BM薄膜2D GIWAXS的平面和外切面。

圖4 純PTO2、純IT4F、PTO2:IT-4F和PTO2-PC₇₁BM薄膜的瞬態吸收動力學

圖5 供體和受體之間的靜電勢及其對分子間相互作用的影響

A) 供體和受體之間的靜電勢分布；

B) 共軛骨架中原子的平均靜電勢；

C) 分子的靜電勢區域分布；

D) 不同水平位置的分子間結合能；

E) 不同垂直位置的分子間結合能；

F) 有/無加電場時PTO2與PC₇₁BM間的最低激發態的電子/空穴密度分布；

G) 有/無加電場時PTO2與IT-4F間的最低激發態的電子/空穴密度分布。

【小結】

? 研究者報道了一種聚合物給體PTO2，并對其在有機太陽能電池中的應用進行了研究，通過使用非富勒烯受體IT-4F可獲得14.7%的效率。該體系表現出非常小的能量偏移態，器件表現出非常高的電荷產生效率。結果表明PTO2和IT-4F在分子間存在很大的靜電勢差，可以誘導的光生載流子的分離。這些發現意味著微調靜電勢差可以作為有機光伏材料的分子設計策略，并且利用這種方法將提高有機光伏電池的開路電壓電壓，從而提高效率。

文章鏈接：14.7% Efficiency Organic Photovoltaic Cells Enabled by Active Materials with a Large Electrostatic Potential Difference, ?J.Am.Chem.Soc, 2019,DOI: 10.1021/jacs.8b12937

本文由金也編譯供稿。