Solar RRL:基于非卤素溶剂的非富勒烯有机太阳能电池效率超过16.5%

与传统的无机半导体相比,有机太阳能电池具有轻、薄、柔、透等突出特点,可通过有机半导体材料的分子结构设计以及器件制备方式满足不同方面的功能需求,且最终产品可实现便携式、多样化应用,受到学术界和工业界的广泛关注,具有广阔的应用前景。近年来,非富勒烯受体材料的快速发展对与之匹配的聚合物给体材料提出了新的要求。在先前报道中,将少量重金属络合物或者其他结构单元引入聚合物给体材料的骨架中可以有效调控材料的结晶性,与富勒烯体受体材料构建光伏体系可以优化其共混活性层形貌,从而获得更好的光伏性能。

近日,武汉大学高等研究院闵杰研究员课题组基于这一研究思路,通过无规共聚策略将少量重金属铱络合物(浓度1.5mol%)掺杂到高性能的聚合物给体材料PM6骨架中设计聚合物给体材料(PM6-Ir1.5,分子结构如图1所示)。作者通过研究发现,与聚合物PM6相比,PM6-Ir1.5具有相似的吸收和电化学性能,但降低了其聚合物主链的平面度和刚性,因此影响了薄膜中的分子间堆积和纳米微观结构。将PM6和PM6-Ir1.5分别和非富勒烯小分子受体Y6-C2构建成光伏器件,结果基于PM6-Ir1.5的最优器件光伏效率为17.09%,高于PM6:Y6-C2器件(15.73%)。作者通过器件物理机制研究发现基于PM6-Ir1.5的器件中高填充因子归因于高激子扩散和解离,平衡的电荷传输特性以及较小的载流子复合损失。更为重要的是,以四氢呋喃和甲苯作为非卤素溶剂制备的PM6-Ir1.5:Y6-C2器件分别获得了 15.31%和16.52%的光电转换效率。该器件效率不仅非常接近氯仿溶剂制备的光伏性能,而且是目前非卤素溶剂构建高效器件的最优结果。

相关论文发表在Wiley出版集团旗下期刊《Solar RRL》(DOI: 10.1002/solr.202000156)杂志上。