我校材料科學(xué)與工程學(xué)院王逸凡副教授等人在材料學(xué)頂級(jí)期刊《advanced materials》（影響因子32.086）上發(fā)表題為“quasi-homojunction organic nonfullerene photovoltaics featuring fundamentals distinct from bulk heterojunction”的論文。（adv. mater.,）

有機(jī)太陽(yáng)能電池具有可印刷制備、重量輕、柔性、半透明等優(yōu)點(diǎn)，是一種很有前途的下一代光伏技術(shù)。近年來(lái)，隨著以itic和y6為代表的稠環(huán)電子受體材料的發(fā)展，有機(jī)太陽(yáng)能電池發(fā)展迅速。然而，由于大多數(shù)有機(jī)半導(dǎo)體具有較低的介電常數(shù)(ε = 3~4)，因此在光激發(fā)下會(huì)產(chǎn)生具有高結(jié)合能而非自由電荷的frenkel激子。激子解離依賴于給/受體界面提供的驅(qū)動(dòng)力，因而足夠的給/受體界面是必不可少的。前期研究表明，給/受體相分離尺寸約為10~20 nm的本體異質(zhì)結(jié)是有效激子解離和電荷輸運(yùn)的最佳形貌。因此，大多數(shù)高效有機(jī)太陽(yáng)能電池的給體和受體含量大致相等。然而，bhj結(jié)構(gòu)的形貌敏感性可能導(dǎo)致加工復(fù)雜性、固有能量損失和形貌不穩(wěn)定性，這些都限制了器件的性能和重復(fù)性。近年來(lái)的研究發(fā)現(xiàn)，y6具有較高的雙極性遷移率，有利于電子和空穴輸運(yùn)。另外，有報(bào)道表明y6可以在沒(méi)有給/受體界面的幫助下，本征產(chǎn)生自由載流子。基于此，作者提出了一種新型的準(zhǔn)同質(zhì)結(jié)有機(jī)太陽(yáng)能電池。區(qū)別于傳統(tǒng)的本體異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池，qhj太陽(yáng)能電池活性層由極少量(≤10 wt%)的給體與占絕大部分的受體材料組成。

作者系統(tǒng)地研究了基于不同聚合物給體和稠環(huán)電子受體的qhj有機(jī)太陽(yáng)能電池。研究發(fā)現(xiàn)，基于ptb7-th:y6的有機(jī)太陽(yáng)能電池在給/受體質(zhì)量比為1:8或1:20時(shí)，可分別保留95%或64%的最優(yōu)化器件（給/受體比為1:1.2）的能量轉(zhuǎn)換效率。并且，這種qhj太陽(yáng)能電池形貌穩(wěn)定性大大優(yōu)于傳統(tǒng)bhj器件。有趣的是，當(dāng)給體濃度降低時(shí)，基于其他給體或稠環(huán)電子受體的器件的能量轉(zhuǎn)換效率會(huì)急劇下降。基于超快瞬態(tài)吸收、電流感應(yīng)原子力顯微鏡和軟x射線形貌表征等測(cè)試分析手段，作者展示了高效qhj太陽(yáng)能電池的工作機(jī)理。在基于ptb7-th:y6的qhj中，很大一部分自由電荷本質(zhì)上是在純y6相中產(chǎn)生的，而不是在給受體界面。y6還起到了雙極性運(yùn)輸通道的作用，使得在給體量很少的情況下實(shí)現(xiàn)了高效的空穴輸運(yùn)。作者還比較了基于ptb7-th:y6的qhj與基于pm6:y6的qhj。ptb7-th:y6 qhj的器件性能優(yōu)于pm6:y6 qhj，主要得益于ptb7-th:y6 qhj中更高的y6相純度，從而促進(jìn)了電荷輸運(yùn)，通過(guò)四極場(chǎng)增強(qiáng)了能帶彎曲，并減少了界面上的載流子復(fù)合。少量ptb7-th的主要作用是防止電荷復(fù)合，增強(qiáng)y6內(nèi)部的四極場(chǎng)，這與傳統(tǒng)給體的作用是完全不同的。

這項(xiàng)工作突破了經(jīng)典的本體異質(zhì)結(jié)有機(jī)太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)，克服了本體異質(zhì)結(jié)的部分缺點(diǎn)。在準(zhǔn)同質(zhì)結(jié)有機(jī)太陽(yáng)能電池中，可以通過(guò)提高本征電荷的產(chǎn)生和減少電荷重組來(lái)實(shí)現(xiàn)高器件效率，而不僅僅是依賴于給受體界面上的激子解離。這種新的器件結(jié)構(gòu)也有利于一些其他應(yīng)用，如半透明有機(jī)太陽(yáng)能電池和近紅外光電探測(cè)器。

我校材料科學(xué)與工程學(xué)院王逸凡副教授是論文的第一作者，青島大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院是第一單位，北京大學(xué)教授是通訊作者。合作者還包括新西蘭惠靈頓維多利亞大學(xué)justin m. hodgkiss課題組、美國(guó)雪城大學(xué)quinn qiao課題組、東華大學(xué)唐正課題組、西安交通大學(xué)馬偉課題組。

504 241 >

qhj非富勒烯有機(jī)太陽(yáng)能電池基本工作機(jī)理

論文信息：

quasi-homojunction organic nonfullerene photovoltaics featuring fundamentals distinct from bulk heterojunction

以上是網(wǎng)絡(luò)信息轉(zhuǎn)載，信息真實(shí)性自行斟酌。