廣西大學(xué)Nano-Micro Letters：效率達(dá) 19.23%！調(diào)制雙給體誘導(dǎo)結(jié)晶使有機(jī)太陽(yáng)能電池效率提高

主要內(nèi)容：

有機(jī)太陽(yáng)能電池（OSC）因便攜性、靈活性和適應(yīng)性等特性備受關(guān)注。隨著非富勒烯受體（如Y6及其衍生物）的發(fā)展，單結(jié)OSC和串聯(lián)器件的功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）已突破20%。除化學(xué)材料結(jié)構(gòu)外，非輻射復(fù)合以及陷阱輔助電荷復(fù)合，已成為限制OSC PCE進(jìn)一步提升的主要因素。為此，廣西大學(xué)物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院闞志鵬教授薄膜光伏團(tuán)隊(duì)采用了溶劑選擇、添加劑調(diào)節(jié)、第三組分引入、界面工程和后處理等多種優(yōu)化OSC的方法。

此研究聚焦于有機(jī)太陽(yáng)能電池（OSC）性能的優(yōu)化，通過引入寬禁帶聚合物供體PTzBI-dF作為第三組分，與D18-Cl和Y6組成的活性層形成雙供體系統(tǒng)。提高活性層的結(jié)晶度以及分子堆積有序性，促進(jìn)激子解離和電荷傳輸，從而提升了OSC的光伏性能。結(jié)果顯示D18-Cl：PTzBI-dF：Y6組成的三元器件實(shí)現(xiàn)了18.60%的功率轉(zhuǎn)換效率，優(yōu)于D18-Cl：Y6二元系統(tǒng)。該三元系統(tǒng)還表現(xiàn)出了更長(zhǎng)的載流子壽命和更快的電荷提取，有效減少了非輻射復(fù)合，為實(shí)現(xiàn)更高效率的OSC提供了方向。

表 1 AM 1.5G（100 mW cm-2）光照下二元和三元器件的光伏參數(shù)

在研究中利用原子力顯微鏡（AFM）和透射電子顯微鏡（TEM）探究薄膜微觀結(jié)構(gòu)變化對(duì)電子性質(zhì)的影響中，發(fā)現(xiàn)D18-Cl：PTzBI-dF：Y6薄膜的表面粗糙度略有增加，進(jìn)一步提升了晶體性能。TEM圖像顯示，不同供體-受體（D-A）網(wǎng)絡(luò)具有不同聚集特征。PTzBI-dF：Y6薄膜因PTzBI-dF的低結(jié)晶性而表現(xiàn)出較少的相分離和較弱的結(jié)晶度。相比之下，D18-Cl：Y6薄膜具有更大規(guī)模的相分離和更強(qiáng)結(jié)晶度，可能會(huì)對(duì)器件性能不利。但D18-Cl：PTzBI-dF：Y6共混物優(yōu)化了D-A網(wǎng)絡(luò)和結(jié)晶度，會(huì)有助于減少電荷復(fù)合損失，從而提升光電轉(zhuǎn)換效率。

表 2 基于二元和三元器件的OSC能量損失信息

在進(jìn)行接觸角測(cè)試時(shí)，D18-Cl與PTzBI-dF以0.8:0.2質(zhì)量比結(jié)合，三元共混物的χ值表明其供體-受體混溶性更優(yōu)。掠入射廣角X射線散射（GIWAXS）研究顯示，純薄膜中PTzBI-dF的π-π分子間相互作用較弱且晶體特性較低，Y6薄膜顯示出明顯的衍射峰。D18-Cl、PTzBI-dF與Y6的峰位置、d間距有所不同，且活性層較低結(jié)晶度可能導(dǎo)致其性能問題。

在D18-Cl：PTzBI-dF：Y6薄膜中，通過微調(diào)形態(tài)使結(jié)晶度得到提高，分子堆疊順序也進(jìn)一步增強(qiáng)。此外，將PTzBI-dF作為第三組分加入D18：Y6共混物中，通過GIWAXS測(cè)試，探測(cè)出分子堆積緊密，薄膜結(jié)晶度略有增加。優(yōu)化后器件的性能更優(yōu)，且長(zhǎng)期穩(wěn)定性和普遍性評(píng)估表明：該策略能有效延長(zhǎng)器件使用壽命，并且適用于多個(gè)OSC體系。

至此，通過研究證明PTzBI-dF在結(jié)構(gòu)上與D18及其衍生物相似，能有效調(diào)節(jié)三元共混物活性層的形態(tài)，使性能提升超過19%。PTzBI-dF誘導(dǎo)的**晶體結(jié)構(gòu)，以及其排列良好的能級(jí)和互補(bǔ)的吸收光譜，是此性能改進(jìn)的關(guān)鍵因素。在材料加入的同時(shí)能夠減少電流泄漏并提升電荷載流子遷移率，抑制非輻射復(fù)合，從而降低能量損失。引入結(jié)構(gòu)相似但具有不同聚集特性的材料是優(yōu)化活性層的直接且有效的方法，這為設(shè)計(jì)高效三元有機(jī)太陽(yáng)能電池（OSCs）中的第三組分提供了寶貴的指導(dǎo)經(jīng)驗(yàn)。

文獻(xiàn)信息

https://link.springer.com/article/10.1007/s40820-024-01576-1#Sec1

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