Small:采用具有相似LUMO能级且兼容性好的非富勒烯受体制备出效率超过15.7%的三元有机光伏器件

三元策略已被广泛地证实是提高有机光伏器件性能的有效策略之一。如何甄选第三组分能够同时优化有源层的光子俘获以及相分离程度,是首要解决的关键问题。对此我们课题组开展了大量的实验研究,发现材料间的能级位置、光学带隙、分子式结构、消光系数等参数是甄选第三组分材料必须要考虑的问题,同时二元器件各光伏参数也是重要的遴选标准。二元器件光伏参数应具有一定的互补性,将有助于进一步提高三元器件的性能。

该工作选用聚合物PM6为给体,非富勒烯材料IPTBO-4Cl以及MF1为受体制备了一系列二元和三元光伏器件。通过优化有源层形貌,以PM6:IPTBO-4Cl和PM6:MF1为有源层的两个二元器件的光电转换效率分别达到了14.94%和12.07%,展示出显著不同的短路电流密度23.18 mA cm-2与17.01 mA cm-2,填充因子72.17%与78.18%,以及相似的开路电压0.893 V与0.908 V。以MF1为受体的二元器件相比于IPTBO-4Cl为受体的二元器件展示出更高的填充因子,这表明了PM6:MF1有源层形成了高效的载流子传输通道。随着受体中MF1含量的增加,三元器件的填充因子逐渐增大,表明MF1作为形貌调控剂可优化三元器件有源层形貌。同时受体材料IPTBO-4Cl和MF1具有相似的最低未占有轨道(LUMO)能级,这有利于三元器件有源层中的载流子传输。通过掺入30 wt%的MF1,最优三元器件的光电转换效率提升到了15.74%。这项工作为制备高效率三元有机光伏器件提供了一个新思路:采用两个具有相似LUMO能级且良好兼容性的非富勒烯受体,制备高效率双受体三元有机光伏器件。

相关论文在线发表在Small (DOI:10.1002/smll.202000441)上。北京交通大学博士生胡拯豪,南京理工大学博士生杨琳强以及深圳大学高威博士为论文的共同一作;北京交通大学张福俊教授,南京理工大学唐卫华教授以及深圳大学杨楚罗教授为论文的共同通讯作者。该工作同时得到了上海同步辐射光源BL16B1站的支持。