Advanced Functional Materials:近红外非富勒烯有机太阳能电池中第三组分的功能机制探究

随着非富勒烯受体材料的进一步发展,超窄禁带宽度(Eg ≤ 1.25 eV)的非富勒烯受体因为其光吸收范围集中在近红外(NIR)区域范围(750-1000 nm)而引起了广泛关注。近红外非富勒受体与宽带隙聚合物给体的光吸收范围互补,两者共混的薄膜能够获得更加广阔的光吸收范围。另外,其对于近红外光的吸收利用可以提高薄膜的可见光透过率,这对半透明电池器件以及叠层有机太阳能电池器件的发展具有重要意义。但是,目前近红外非富勒烯体系中存在较大的能量损失、较低的器件短路电流和开路电压值,大幅限制了其光电性能的提升,这些与低效的激子解离与电荷转移态密切相关。

复旦大学梁子骐教授课题组与丹麦科技大学郑凯波博士团队针对上述问题开展了详细研究。揭示了两个制约近红外非富勒烯有机太阳能电池中激子解离的影响因素,证明了它们独立存在,并分别通过引入不同的第三组分依次解决,从而提高了器件效率。

该工作以PTB7–Th:IEICO–4F为基准二元近红外非富勒烯体系进行机制探究,尝试揭示第三组分的引入及其功能。首先,采用瞬态吸收光谱手段发现二元共混薄膜中给受体间的电荷转移非常迅速,伴随着光生载流子的孪生复合。随后,揭示了在近红外非富勒烯二元体系中,影响激子解离的两个关键因素为:电子给体(D):受体(A)良好的混溶性引起薄膜中形成了不连续的单独相和D/A界面处存在较长时间的电荷转移态(CTS)。通过引入基准NFA(ITIC)或富勒烯受体(PC71BM)作为第三组分并调节其质量比,依次分别克服了上述两个问题,但是其影响机制不同。ITIC分子能够调节并优化共混薄膜的形貌,在共混薄膜中形成了双向连续的运输通道,而PC71BM能够缩短CTS从而使得D/A界面的电荷转移更有效。最终,由20 wt% ITIC和6.7 wt% PC71BM组成的三元共混体系,在无任何添加剂或退火处理的情况下,所制备得到的三元共混器件的JSC值分别为21.9(同时提高了VOC)和25.4 mA/cm2,PCE分别提高至10.2%和10.6%。从而得出结论:理想的第三组分材料应能具备同时调节共混薄膜形貌并快速抽取电子的功能,这为有机非富勒烯光伏材料的设计及器件性能优化提供了有力指导。

相关结果发表在Adv. Funct. Mater. DOI:10.1002/adfm.202001564上。