Advanced Functional Materials:新型宽带隙深HOMO能级高分子材料助力高效率三元非富勒烯有机聚合物太阳能电池

近年来,有机聚合物太阳能电池因为其质轻,柔性,可卷对卷生产的特性而受到了人们广大的关注。近五年来得益于新型的n型和p型有机材料的合成和创新发展,单节有机太阳能的光电转换效率目前已经接近于18%。 但是由于有机半导本质上对太阳光谱吸收窄的缺点,从而限制了其效率进一步提高的潜质。目前很多研究证实了在二元的基础上添加第三组分构建三元或多元共混薄膜是一种有效增强有机太阳能电池吸收从而提高效率的方法。 选择第三组分的最基本的标准就是其光谱吸收与原二元BHJ共混材料体系的吸收互补。再一个比较重要的原则是三个组分在能级上的匹配,从而实现电荷的梯度传输,能有效抑制共混膜中的双分子复合,以此实现光伏性能的提高。材料的分子结构相容性也会对多元共混体系的形貌,分子聚集,载流子传输产生影响(Nature Photonics 2015, 9, 190-198) 。

针对上述问题,我们设计并合成了一种新型的宽带隙(Egopt = ~ 2.0 eV)并且是深能级的有机高分子给体材料命名为PBT(E)BTz,并且首次将PBT(E)BTz作为第三组分添加到经典的PBDB-T-SF:IT-4F二元共混膜中。在这个三元体系中,PBT(E)BTz 的HOMO能级深于IT-4F。即使是在这种通常认为能级不匹配的情况下,当添加5% PBT(E)BTz时,我们发现三元有机太阳能电池的光电转换效率从12.14% 提高到13.19%, 主要得益于三元共混膜中载流子复合的抑制和电子空穴传输的平衡。为了进一步证实这个现象,我们把第三组分和原二元组分的HOMO能级差进一步拉大,选择PBDB-T:IT-M为二元体系添加5%的PBT(E)BTz,发现光伏器件的性能有同等的提高(10.50% 到 11.06%)。 为了进一步证实其作为有效的第三组分的普适性,我们选取了另一个高效的二元体系PBDBTF:BTP-4Cl,发现当添加5%的PBT(E)BTz时,三元器件可以得到16.26%的光电转换效率,这是目前三元有机太阳能电池最高效率之一。值得注意的是,当活性层的厚度增加到300 nm时,此三元体系仍能保持14%的光电转换效率。并且我们发现PBT(E)BT可以作为一个有效的“稳定剂”,可以同时提高二元器件光和热的稳定性。因此我们证实了新型的高分子给体PBT(E)BTz是一个有前景的第三组分,可以同步增强二元器件的光伏转换效率和稳定性。相关结果发表在Advanced Functional Materials(DOI:org /10.1002/ adfm.201910466)上。该工作在香港理工大学 电子及资讯工程学系完成,第一作者是博士研究生张颖,通讯作者为李刚教授。