中科院李永舫等人:新型窄帶隙受體實現高性能串聯有機太陽能電池

2021-01-13 知研光電材料

串聯有機太陽能電池（OSC）是基於單片連接兩個OSC的器件結構，現已被廣泛用作一種簡單而可靠的方法，以實現更高性能的OSC並更好地利用近紅外太陽能。在串聯OSC中，可以通過使用寬帶隙子電池收集高能光子和另一個窄帶隙子電池利用低能光子來有效地擴展吸收光譜的波長區域。同時，串聯OSC的開路電壓（VOC）是兩個子電池的總和，而且每個子層的厚度可以輕鬆地分別調整，以匹配每個波長區域中的平衡吸光度，並提供最大的光子能量效率。

近日，中國科學院化學研究所李永舫教授，孟磊研究員和北卡羅萊納州立大學Harald Ade教授等人提出了一種簡單的新型策略，即在小分子受體Y6的中心核和端基之間插入雙鍵，以擴展其結合長度和吸收範圍，首次設計併合成了具有1.21 eV光學帶隙的新型超窄帶隙受體BTPV-4F。BTPV-4F由於其分子共軛長度的延長，顯示出明顯的紅移吸收，基於PTB7-Th：BTPV-4F：PC71BM的OSC表現出創紀錄的Jsc為28.9 mA cm-2，所獲得光電轉換效率（PCE）為13.4％，並且顯示出了寬的響應波長範圍，在300-1050 nm均有相應的吸收。此外，研究人員合成了帶隙為1.61 eV的中等帶隙受體m-DTC-2F，並選擇PM6：m-DTC-2F作為前電池活性層，以使PTB7-Th：BTPV-4F：PC71BM作為後電池製造串聯OSC。由於可以有效利用300-1050 nm範圍內的太陽光，並且減少了兩個子電池的能量損耗，因此串聯OSC的PCE值達到了16.4％。此外，基於BTPV-4F的OSC表現出優秀的光穩定性，在使用500 h後，PCE值仍然可保留最初的91%。研究人員還認為，如果通過優化前單元材料系統將填充因子（FF）提高到75％以上，串聯OSC的PCE甚至可以超過18％。

這項研究成果表明，將雙鍵插入A-DA』D-A類型分子是一種構建具有高性能和穩定性的有機小分子受體的簡單有效方法，並為設計新型受體分子提供了新策略。該工作也於近期發表在《Nature Communications》上，題為「High performance tandem organic solar cells via a strongly infrared-absorbing narrow bandgap acceptor」。

文獻地址：

https://doi.org/10.1038/s41467-020-20431-6

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