近日，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家納米科學(xué)中心研究員周二軍與北京航空航天大學(xué)教授孫艷明、東華大學(xué)教授馬在飛合作，在降低有機(jī)太陽(yáng)能電池的非輻射復(fù)合損失研究中取得進(jìn)展。相關(guān)研究成果發(fā)表在Advanced Materials上。

近十年，溶液加工制備本體異質(zhì)結(jié)有機(jī)太陽(yáng)能電池（OSCs）發(fā)展迅速，能量轉(zhuǎn)換效率（PCE）已超18%，但是仍落后于硅基和鈣鈦礦太陽(yáng)能電池。在決定OSCs效率的三個(gè)參數(shù)——短路電流（JSC）、開(kāi)路電壓（VOC）和填充因子（FF）中，JSC和FF已取得較大進(jìn)展。然而，相比于鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，其VOC仍然較低，原因在于存在較大的能量損失（一般大于0.6 eV），其中，非輻射電壓損失是導(dǎo)致OSC性能低于其他類型太陽(yáng)能電池的主要原因（普遍大于0.2 V）。此外，給受體界面形成的電荷轉(zhuǎn)移態(tài)（CT態(tài)）是產(chǎn)生較高非輻射復(fù)合損失的主要原因。

前期研究中，周二軍課題組通過(guò)材料開(kāi)發(fā)，尤其是苯并三氮唑（BTA）類小分子材料的開(kāi)發(fā)，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(shè)計(jì)的角度降低非輻射復(fù)合損失，實(shí)現(xiàn)超高VOC的有機(jī)光伏電池，亟需建立材料化學(xué)結(jié)構(gòu)和能量損失之間的關(guān)系。

研究團(tuán)隊(duì)采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(kāi)發(fā)的受體BTA3，構(gòu)建有機(jī)太陽(yáng)能電池，研究不同位置氯取代對(duì)ΔVnon-rad的影響。所有體系均獲得高于1.70 eV的電荷轉(zhuǎn)移態(tài)能量（ECT），單線態(tài)（S1）和CT態(tài)之間的能量差（ΔECT）降低到~0.1 eV。通過(guò)氯原子取代噻吩側(cè)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(shí)現(xiàn)高VOC（1.30 V）和高電致發(fā)光外量子效率。非輻射復(fù)合電壓損失降低到0.16 V和0.17 V，是文獻(xiàn)已報(bào)道的溶液處理有機(jī)太陽(yáng)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(duì)降低OSCs的能量損失及提高器件性能具有指導(dǎo)意義。

研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中科院人才項(xiàng)目和中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（B類）等的支持。

論文鏈接


四種材料組合體系的非輻射復(fù)合電壓損失和EQEEL