Advanced Energy Materials:受体成分调控助力有机太阳能电池非辐射电压损失降低

有机太阳能电池(OSCs)从激发态(LE)到电荷转移态(CT)和基态(GS)的电压损失导致高效器件的开路电压很难超过1 V,因此减小电压损失是OSCs发展过程中重要的研究课题之一,也是使OSCs突破20 %效率限制的重要前提,而降低给体-受体(D-A)界面处电荷非辐射(NR)复合引起的电压损失有希望满足这一要求。目前,高效OSCs体系中LE和CT态之间的能量差(DELE-CT)普遍低于0.2 eV,同时LE激子具有较强的离域能力,因此有必要研究LE发射对器件电致发光外量子效率以及NR电压损失的直接影响。理论上,LE到GS态的发射与(LE的解离速率常数)相关,而活性层相区纯度和分子取向是影响激子解离的形貌因素,因此OSCs形貌有望在电致发光效率和电压损失方面发挥作用。

目前,阐明形貌-电压损失关系的主要瓶颈之一在于避免多维度的形貌变化。例如,在评估界面取向对辐射复合和电荷生成的影响时,分子取向和结晶度的同时变化会干扰预期的分析。此外,由于材料之间对比度的差异,不同活性层之间相区纯度的对比仍然十分复杂。实际上,只要最大限度地减小客体受体(A2)和主体受体(A1)之间的结构差异,采用D-A1-A2框架的三元OSC可以在一定程度上避免上述问题。在这种情况下,三元OSC很容易获得合金化的受体相区,且主要的相分离驱动力来源于给体和受体之间的相容性差异,因此能够排除如亚尺度的相分离和材料对比度差异等其他因素的干扰,能够用于研究形貌-电压损失的关系。这类伪二元OSC中活性层形貌本质上是由给受体之间的相容性决定的,调整活性层的化学成分提供了一种方便且有效的方法来调节D-A相容性和相分离,从而可以用于探索活性层形貌-电压损失的关系。

基于上述思考,西安交通大学马伟教授与东华大学唐正教授团队展开合作,以PM6:BTP-4F为主体系、BTP-2F为客体调控受体成分及D-A相容性,利用BTP-2F与BTP-4F结构相似、能级接近、相容性好的特点,在避免造成多维度形貌变化的同时实现相区纯度的调控。并在此基础上开展了相区纯度与能量损失相关性的研究,指出了相区纯度在调控非辐射电压损失方面的关键作用。

首先,作者通过体相和表面特性表征证明了BTP-2F和BTP-4F之间良好的相容性。随后增加BTP-2F的化学计量比,实现活性层中受体成分和相分离的调控。形貌研究表明,BTP-2F含量的增加能够提高活性层相区纯度,略微降低受体结晶性,这排除了多维度的形貌变化并为电压损失的研究提供了可靠的平台。光伏性能测试表明,三元器件的开路电压随BTP-2F含量的增加持续上升,同时在BTP-2F成分占比为0.3时获得最高为17.28 %的能量转化效率。

图1. 化学结构与BTP-2F/BTP-4F混合膜表面特性研究

图2. 活性层的形貌研究

进一步地,作者利用电致发光(EL)和变温I-V测试,表明不同BTP-2F含量的三元器件中,LE和CT态能级对活性层的成分不敏感。然而,BTP-2F比例的增加会提高电致发光外量子效率,从而降低器件的NR电压损失。通过分析EL光谱,作者发现最低激发态到基态的辐射跃迁能够提高EL辐射强度,结合荧光(PL)光谱,作者发现LE辐射效率的提高与高相区纯度导致的低激子解离效率相关。这一结果表明了相区纯度在调控器件发光量子产率及NR电压损失的重要作用,为进一步提高OSC电压及性能提供了一种可行的形貌优化方向。

图3. 器件光伏性能及CT态研究

图4. 器件NR电压损失及发射光谱分析

西安交通大学材料学院博士生毕召召为论文的第一作者,西安交通大学周科副教授、马伟教授,东华大学唐正教授为论文的共同通讯作者。该研究工作得到国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费的资助。

原文链接:

Tuning Acceptor Composition in Ternary Organic PhotovoltaicsImpact of Domain Purity on Non-Radiative Voltage Losses

Zhaozhao Bi, Hafiz Bilal Naveed, Hongbo Wu, Cankun Zhang, Xiaobo Zhou, Jing Wang, Meng Wang, Xuanhao Wu, Qinglian Zhu, Ke Zhou*, Kai Chen, Cheng Wang, Zheng Tang*, Wei Ma*

Advanced Energy Materials

DOI: 10.1002/aenm.202103735

论文链接:https://doi.org/10.1002/aenm.202103735