具有多级次纳米结构的高效率三元体系有机太阳能电池

as体相异质结有机太阳能电池活性层一般由共轭聚合物或小分子给体和富勒烯衍生物受体共混而成的二元体系。为拓展光谱吸收、提高光伏效率,在两组分体系中加入另外一种给体或者受体形成的三元体系有机太阳能电池是一种提高有机太阳能电池效率的有效方案。然而,第三组分的引入,通常会影响活性层的相分离、分子堆积方式、激子复合机制,导致器件电流和填充因子的降低。因此,探索高效率三元体系有机太阳能电池的工作机制,对促进有机太阳能电池的发展具有一定的指导意义。

最近,国家纳米科学中心魏志祥研究员、西安交通大学马伟教授及其研究团队合作,研究了共轭小分子(BDT-3T-CNCOO)、共轭聚合物(PBDTTT-C-T)和富勒烯衍生物(PC71BM)共混形成高效率三元体系有机太阳能电池的工作机制。该研究成果发表在Advanced Science(DOI: 10.1002/advs.201500250)上

在此项研究中,研究人员选择了具有光学带系互补、结晶性互补的小分子和聚合物作为活性层给体。研究了不同比例小分子对器件光伏性能的影响。结果表明,小分子的加入能够显著提高器件填充因子。在50%小分子比例的条件下,电池的效率达到该体系最高值8.58%,相比基于聚合物和小分子的二元体系电池效率(分别为7.60%和4.98%)有明显的提高。通过透射电子显微镜(TEM)、掠入射广角X射线散射(GIWAXS)和共振软X射线散射(R-SoXS)研究了不同组分下共混膜的形貌、结晶性、分子堆积以及相分离等微观相行为。结果显示,小分子的高结晶性能够促进活性层自组装形成纳米纤维结构,同时相纯度相对更高;另一方面,聚合物能够抑制了小分子的过度聚集。实验数据证实小分子和聚合物协同作用使得体系形成多级次的相分离结构,这种多级次纳米结构能够有效减少单分子和双分子的复合,从而将器件的填充因子由58.4%提高到71.6%。多级次相分离结构的发现,为进一步优化三元体系有机太阳能电池提供了理论指导。