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Advanced Materials:通过寡聚体受体构建效率超过18%的三元厚膜(300nm)有机太阳能电池

在分子设计和器件工程的共同努力下,有机太阳能电池(OSC)的能量转化效率(PCE)急剧攀升。然而在目前的高效率下,实现OSC高通量的商业化生产仍存在挑战。目前的高效率器件的活性层厚度均在100-120 nm的范围内,这将导致入射光子通量的利用不足。此外,在商业化生产中,获得无缺陷、均匀的薄膜存在困难,活性层的厚度通常可以达到数百纳米。因此,开发高效的厚膜有机太阳能电池对实现OSC从实验室到商业化生产至关重要。本篇观点选用含有S···F构象锁的寡聚受体材料DY-TF作为第三组份制备了高性能的厚膜器件。DY-TF的引入,促进了三元体系中电荷的产生与传输,抑制了电荷复合,进而有利于光伏性能的提升。基于PM6:L8-BO:DY-TF的厚膜(300 nm)器件,获得了18.23%的PCE(认证效率为17.8%),这是迄今为止报道的300 nm厚膜OSC的最高效率。这项工作获得了膜厚容忍度较高的OSC器件,预示着OSC的商业化生产将有一个更光明的未来。

近日,课题组在国际知名期刊Advanced Materials上发表题为“Over 18% Efficiency Ternary Organic Solar Cells with 300 nm Thick Active Layer Enabled by An Oligomeric Acceptor”的观点文章。该观点文章以寡聚受体材料作为第三组份,制备了高性能的厚膜有机太阳能电池,获得了18.23%(300 nm)的能量转化效率,并对器件内部的电荷产生、传输、复合过程进行了系统研究。

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图1.高性能厚膜有机太阳能电池采用的分子结构、吸收、能级及器件性能等。

要点一:器件性能

寡聚受体材料DY-TF具有良好的平面结构和较高的玻璃化转变温度(Tg=231℃)。以其作为第三组份制备的薄膜(110 nm)有机太阳能电池(PM6:L8-BO:DY-TF)获得了19.13%的能量转化效率,其开路电压为0.905 V,短路电流为26.93 mA•cm-2,填充因子为78.50%;相应的厚膜(300 nm)OSC的PCE 为18.23%(认证效率为17.8%),其开路电压为0.884 V,短路电流为27.80 mA•cm-2,填充因子为74.18%,这是迄今为止报道的厚膜OSC的最高效率;相应的大面积(1cm2)和刮刀(DB)涂覆的厚膜(300 nm)OSC分别获得了15.49%和17.38%的PCE,这分别是大面积和DB处理的厚膜OSC的最高效率值。DY-TF的引入有利于促进三元薄膜内部的电荷产生与传输,抑制电荷复合,进而获得优良的光伏性能。

要点二:形貌研究

由原子力显微镜分析得,随着DY-TF的加入,三元共混薄膜表现出明显的纳米纤维网络结构,有利于有效的激子解离和电荷传输。L8-BO和DY-TF具有相似的骨架结构、使其具有良好的互溶性。由广角x射线衍射(GIWAXS)分析得,三元混合薄膜的层状堆积峰是相干常数(CCL)从86.071Å提高到88.123Å,π-π堆积峰CCL值从21.518Å增加到23.015Å。三元共混物中优良的分子结晶度,有助于厚膜OSC内部的电荷传输。

要点三:理论计算

此外,为了进一步研究DY-TF的添加对活性层的影响,我们进行了分子动力学(MD)模拟。结果表明,在PM6:L8-BO膜中添加DY-TF后,PM6和L8-BO之间的质心(COM)距离减小,从PM6:L8-BO膜中的约2.10nm减小到PM6:L8-BO:DY-TF膜中的1.16nm,说明PM6:L8-BO:DY-TF膜的分子堆叠比PM6:L8-BO薄膜的分子堆叠更紧密。由模型中心相对位置的质量密度结果得,添加DY-TF后,三元薄膜的质量密度的波动相对较小,表明三元薄膜比主体二元薄膜(PM6:L8-BO)具有更均匀的密度分布。三元薄膜的紧密堆叠和均匀的密度分布有利于电荷传输行为。

要点四:前瞻

当前有机太阳能电池的性能不断提高,厚膜器件也获得了可观的光伏性能,但是厚膜有机太阳能电池的长期稳定性仍然存在问题。由于材料本身和薄膜形貌对光、热、空气较为敏感,所以有机太阳能电池的商业化应用仍具有挑战。进一步发展新型材料体系,或者开发新型器件结构,是获得高稳定性厚膜有机太阳能电池的可行策略。

“Over 18% Efficiency Ternary Organic Solar Cells with 300 nm Thick Active Layer Enabled by An Oligomeric Acceptor”

Linkhttps://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202304225

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