Advanced Materials:增强和平衡电荷传输助力三元有机光伏电池效率超过17%

太阳能电池是使社会发展和人类生活朝着更清洁、更智能方向发展的助力剂。有机光伏电池(Organic Solar Cells)因具有柔韧性好、重量轻、易加工等优点受到广泛关注。近年来,受益于非富勒烯受体材料的发展和器件结构的优化,有机光伏电池的功率转换效率得到大幅度提高。与此同时,三元策略(Ternary)有机光伏电池既保留了传统二元器件简单易操作的制备方式,又具有能够扩展活性层光吸收范围、调节给/受体界面能级匹配、优化形貌等特点,是获得高功率转换效率的重要途径。

华东师范大学物理与电子科学学院保秦烨教授课题组以小分子给体DRTB-T-C4作为第三组分构建PM6:DRTB-T-C4:Y6三元异质结,实现了填充因子0.813,功率转换效率17.13%的三元有机光伏电池。利用紫外光电子能谱(UPS)原位表征技术,结合整数电荷转移ICT(Integer Charge Transfer)模型分析了三元有机异质结界面电子结构特性。研究表明,PM6的EICT+和Y6的EICT-均是4.50 eV,虽然PM6:Y6界面ICT态重叠且电势差为零,其界面仍存在少量的基态整数电荷转移,从而促进激子分离,减小界面库仑力对光生载流子的束缚,以及界面复合损失。第三组分DRTB-T-C4的EICT+ (4.65 eV)大于Y6的EICT-,DRTB-T-C4:Y6界面不存在基态电荷转移,进一步避免了ICT陷阱辅助复合的发生,促进了三元活性层界面电荷的分离和传输。通过分析空间电荷限制电流、光电流与有效电压的关系、以及短路电流、开路电压与光照强度的关系等,深入研究了PM6:DRTB-T-C4:Y6活性层的光电转换动力学。加入10 wt%的DRTB-T-C4,活性层空穴和电子迁移率均得到显著提高,空穴和电子迁移率比达到平衡1.01,同时具有更高的电荷解离和提取效率。此外,DRTB-T-C4与PM6:Y6表现出良好的相容性,倾向于分布在PM6和Y6之间的界面,并有效改善了活性层的纤维结构,有利于激子的解离和电荷输运,提高填充因子。

这项研究为增强三元异质结界面激子解离和电荷传输提供了深入的理解,相关成果以“Enhanced and Balanced Charge Transport Boosting Ternary Solar Cells over 17%”为题发表于Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.202002344)。