Advanced Materials:钙钛矿量子点“点亮”有机太阳能电池

基于PM6:Y6:PQD的太阳能电池J-V曲线以及PQD结构示意图

有机太阳能电池因质量轻、成本低、柔性、半透明等突出优点而成为光伏领域的研究前沿。传统的富勒烯受体光吸收弱,能级调控受限,形貌稳定性差,制约了有机光伏领域的发展。2015年,北京大学占肖卫课题组发明了明星分子ITIC(Adv. Mater., 2015, 27, 1170–1174),创建了稠环电子受体体系,突破受体材料的瓶颈。5年来,稠环电子受体推动了器件效率记录的频频改写,引领有机光伏领域步入非富勒烯时代。另一方面,钙钛矿材料具有可溶液加工、强吸收、强荧光、双极性电荷传输、高载流子迁移率等特性,近年来广泛用于太阳能电池、发光二极管和光电探测器等领域。

占肖卫课题组将稠环电子受体与钙钛矿材料杂化,以实现强强联合,优势互补,提高有机太阳能电池和钙钛矿太阳能电池的性能。在前期工作中,他们将稠环电子受体掺入钙钛矿太阳能电池,提高了器件效率及稳定性(J. Am. Chem. Soc., 2018, 140, 14938−14944)。 最近,他们将全无机钙钛矿CsPbI3量子点(PQD)掺入稠环电子受体有机太阳能电池中。PQD具有强吸收、强荧光、高载流子迁移率和高介电常数等特性。PQD的引入可同时提高器件的开路电压、短路电流密度和填充因子;基于PTB7-Th:FOIC的器件效率从11.6%提高到13.2%,而基于PM6:Y6的器件效率从15.4%提高到16.6%。值得一提的是,PQD的加入提高了电荷转移态的能量,使得激子解离驱动力接近于0,有助于提高开路电压。PQD的加入有助于阶梯能级的形成和分子堆积有序性的增加,即便在接近0的驱动力下,PQD杂化器件中电荷产生仍然比没有PQD的对比器件更有效,从而有助于提高短路电流密度。PQD的强荧光增强了活性层电致发光的外量子效率,从而可以减少因非辐射复合引起的电压损失。PQD的高介电常数屏蔽了库仑相互作用,从而可以减少电荷复合,有助于提高填充因子。此项工作为有效降低非富勒烯有机太阳能电池的能量损失和提高效率提供了一种新途径。相关工作发表在Adv. Mater.(DOI: 10.1002/adma.202002066)上。