近日,国家纳米科学中心周二军研究员,与北京航空航天大学孙艳明教授,东华大学马在飞教授合作,在降低有机太阳能电池的非辐射复合损失方面取得重要进展。相关研究成果发表在Adv. Mater.上(Adv. Mater. 2020, 32, 2002122),论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202002122。
在过去十年,溶液加工制备本体异质结有机太阳能电池(OSCs)发展迅速,其能量转换效率(PCE)已经超过18%,但是仍落后于硅基和钙钛矿太阳能电池。在决定OSCs效率的三个重要参数:短路电流(JSC),开路电压(VOC)和填充因子(FF)中,JSC和FF已取得了巨大的突破。但相比于钙钛矿太阳能电池,其VOC仍然较低。其主要原因是存在较大的能量损失(一般大于0.6 eV),其中非辐射电压损失是导致OSC性能低于其他类型太阳能电池的主要原因(普遍大于0.2 V)。另外给受体界面形成的电荷转移态(CT态)是产生较高非辐射复合损失的主要原因。
前期工作中,周二军课题组通过材料开发,尤其是苯并三氮唑(BTA)类小分子材料的开发,取得了诸多高VOC的光伏材料组合(VOC=1.02 V, Adv. Energy Mater. 2017, 7, 1602229; VOC=1.22 V, ACS Macro Lett. 2017, 6, 410; VOC=1.15 V, Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1704507; VOC=1.18 V, Adv. Energy Mater. 2018, 8, 1801582; VOC=1.24 V, Chem. Mater. 2019, 31, 3941)。为了从分子设计的角度降低非辐射复合损失,实现超高VOC的有机光伏电池,亟需建立材料化学结构和能量损失之间的关系。
近期,我们采用了氯取代和不含氯的两组D-π-A型聚合物给体(PBT1-C/PBDB-T和PBT1-C-2Cl/PBDB-T-2Cl)和自主开发的受体BTA3,来构建有机太阳能电池,系统研究了不同位置氯取代对ΔVnon-rad的影响。所有体系均获得了高于1.70 eV的电荷转移态能量(ECT),单线态(S1)和CT态之间的能量差(ΔECT)降低到~ 0.1 eV。通过氯原子取代噻吩侧链和噻吩π桥的策略,含氯聚合物体系(PBT1-C-2Cl和PBDB-T-2Cl)均实现了高VOC(1.30 V)和高电致发光外量子效率。非辐射复合电压损失降低到0.16 V和0.17 V,是迄今文献报道的溶液处理有机太阳能电池的最低值。这项工作表明,在D-π-A型共轭聚合物的不同位置的氯取代是降低器件ΔVnon-rad的一种简单而有效的策略,对降低OSCs的能量损失及进一步提高器件性能提供了重要的指导意义。
四种材料组合体系的非辐射复合电压损失和EQEEL
该研究得到国家自然科学基金、科技部重点研发计划、中科院人才项目和战略性先导科技专项(B)等项目的支持。
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