降低有機太陽能電池非輻射複合損失研究獲進展

2020-10-27 中科院之聲

近日，中國科學院國家納米科學中心研究員周二軍與北京航空航天大學教授孫豔明、東華大學教授馬在飛合作，在降低有機太陽能電池的非輻射複合損失研究中取得進展。相關研究成果發表在Advanced Materials上。

近十年，溶液加工製備本體異質結有機太陽能電池（OSCs）發展迅速，能量轉換效率（PCE）已超18%，但是仍落後於矽基和鈣鈦礦太陽能電池。在決定OSCs效率的三個參數——短路電流（JSC）、開路電壓（VOC）和填充因子（FF）中，JSC和FF已取得較大進展。然而，相比於鈣鈦礦太陽能電池，其VOC仍然較低，原因在於存在較大的能量損失（一般大於0.6 eV），其中，非輻射電壓損失是導致OSC性能低於其他類型太陽能電池的主要原因（普遍大於0.2 V）。此外，給受體界面形成的電荷轉移態（CT態）是產生較高非輻射複合損失的主要原因。

前期研究中，周二軍課題組通過材料開發，尤其是苯並三氮唑（BTA）類小分子材料的開發，取得較多高VOC的光伏材料組合（VOC=1.02 V, Advanced Energy Materials 2017, 7, 1602229；VOC=1.22 V, ACS Macro Letters 2017, 6, 410；VOC=1.15 V, Advanced Functional Materials 2018, 28, 1704507；VOC=1.18 V, Advanced Energy Materials 2018, 8, 1801582；VOC=1.24 V, Chemistry of Materials 2019, 31, 3941）。為了從分子設計的角度降低非輻射複合損失，實現超高VOC的有機光伏電池，亟需建立材料化學結構和能量損失之間的關係。

研究團隊採用氯取代和不含氯的兩組D-π-A型聚合物給體（PBT1-C/PBDB-T和PBT1-C-2Cl/PBDB-T-2Cl）和自主開發的受體BTA3，構建有機太陽能電池，研究不同位置氯取代對ΔVnon-rad的影響。所有體系均獲得高於1.70 eV的電荷轉移態能量（ECT），單線態（S1）和CT態之間的能量差（ΔECT）降低到~0.1 eV。通過氯原子取代噻吩側鏈和噻吩π橋的策略，含氯聚合物體系（PBT1-C-2Cl和PBDB-T-2Cl）均實現高VOC（1.30 V）和高電致發光外量子效率。非輻射複合電壓損失降低到0.16 V和0.17 V，是文獻已報導的溶液處理有機太陽能電池的較低值。研究表明，在D-π-A型共軛聚合物不同位置的氯取代是降低器件ΔVnon-rad的有效策略，對降低OSCs的能量損失及提高器件性能具有指導意義。

研究工作得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃、中科院人才項目和中科院戰略性先導科技專項（B類）等的支持。

四種材料組合體系的非輻射複合電壓損失和EQEEL

來源：中國科學院國家納米科學中心

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