兰州交大夏养君教授课题组 Adv. Mater.: 氮-氧自由基共轭聚合物作为添加剂减少有机太阳能电池非辐射能量损失
2023-03-24 来源:高分子科技
有机太阳能电池(OSCs)由于其易于实现柔性、大面积低成本光伏组件,被认为是可穿戴、半透明光伏技术最具潜力的实现方案。然而要满足产业化需求,OSCs的能量转化效率(PCE)和稳定性亟待提高。近年,得益于新型高效有机电子给体材料、受体材料以及器件制备工艺等方面的优化。尤其是近年来非富勒烯电子受体材料(NFAs)的快速发展,助推NFAs-OSCs的器件效率成功超过了19%。当前,最优NFAs-OSCs的短路电流密度(JSC)和填充因子(FF)分别达到了肖克利-奎瑟(SQ)限值的80%和90%以上,而相应器件的开路电压(VOC)仍然低于SQ的80%。2021年,Friend等证实,在高效率NFAs-OSCs中,由自由电荷(Free charge)的非孪生复合产生的三线态电荷转移态,能够经反向电荷转移(Back charge transfer, BCT)在非富勒烯受体上产生三线态激子(
),这些非发射性的
将与体系中过量的载流子相互作用而被湮灭(TCA,Triplet-charge annihilation)是高效率NFAs-OSCs中主要的能量损失通道(~90%)。实验证明,TCA的存在不但不利于VOC的提高,而且还能增大自由电荷的复合概率,进而抑制器件JSC和FF的提高。
激子产生(图2),进而使器件中的TCA过程以及自由电荷的双分子复合过程得到抑制,降低了器件的非辐射能量损失,使得器件的VOC, JSC和FF同时获得了提高(图3)。值得一提的是,这种新型的自由基聚合物添加剂在基于包括PM6:BTP-eC9, PM6:Y6, PM6:IT4F, PBDB-T:ITIC, J61:ITIC, P3HT:PC71BM, PTB7:PC61BM, PTB7-Th:PC71BM等多种NFAs-OSCs材料体系中都实现了PCE的提升,表现出较好的普适性。这一开创性的研究工作,打破了传统认识中由于自由基过于活泼,可能在有机光伏器件的共混薄膜中发生掺杂,从而不利于器件稳定性的固有认识。为同时提高有机太阳能电池的能量转换效率以及光稳定性的研究提供了一种全新的器件优化策略。
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图2. 基于PM6:Y6体系OSCs器件的瞬态吸收光谱
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图3. 基于PM6:Y6体系OSCs器件的EL, FTPS-EQE以及EQEEL
原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202212084
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