Advanced Energy Materials:同时降低带隙和开路电压损失的高效三元有机太阳能电池

近年来,由于窄带隙稠环非富勒烯受体材料的蓬勃发展以及三元有机太阳能电池(OSC)器件的合理设计,有机光伏的能量转换效率(PCE) 取得了巨大提升。但是,在基于非富勒烯受体的三元体系中,使用具有较高的最低未占分子轨道(LUMO)能级的受体材料作为第三组分,在提升有机太阳能电池器件的开路电压(VOC)同时,可能会导致活性层带隙的变宽,器件的短路电流(JSC)下降。相对而言,以给体作为第三组分则可以有效避免这个问题。然而,作为第二给体的材料通常需要具有低于目前常用给体聚合物材料(例如PM6)的最高占据分子轨道(HOMO)能级,该类体系目前基本没有报道,具有深入研究的价值。

最近,国家纳米科学中心魏志祥研究员、张亚杰副研究员,北京交通大学张兴华教授课题组联合报道了通过将HOMO能级高于PM6的有机小分子给体BTID-2F引入基于PM6:Y6二元器件中,成功制备了相比于二元具有更低带隙和开路电压损失的高性能三元有机太阳能电池。研究表明,在PM6:Y6体系中引入BTID-2F作为第三组分,可与PM6:Y6形成互补的吸收光谱。虽然BTID-2F的HOMO能级明显高于PM6,但是三元器件的Voc却随着第三组分比例的增加而增加。最终,相关器件的平均PCE从16.62%提高到17.98%,FF为76.4%,VOC为0.85 V,JSC为27.6 mA cm-2

图 1. a) 分子结构 b) 归一化 UV-vis-NIR 吸收光谱 c) PM6、BTID-2F 和Y6 的能级示意图d) 不同BTID-2F比例的三元OSC的VOC

随后,作者对二元和三元器件的性能进行了研究。从电流-电压曲线可以发现,相比于二元器件,三元器件的三个重要参数都得到了提升。三元OSCEQE带边的红移证明了带隙降低。从电流和电压随光强变化的规律得出三元器件中的单、双分子复合都得到了有效抑制。通过对二元和三元共混体系的载流子输运特性的测试,发现三元OSC具有更高、更匹配的电子和空穴迁移率。这充分解释了三元器件中JSC和FF增加的原因。为了揭示三元器件中 Voc 增加的原因,作者对二元、三元OSC器件的空穴能量无序度进行了评估。与二元器件相比,三元器件可以实现更低的能量无序度,这有利于提高电荷迁移率。同时,较低的能量无序度也可能降低混合给体的准费米能级以及减少复合引起的能量损失,这都有利于VOC提高。

图 2.  二元和三元 OSC 在模拟 AM 1.5G 辐照下的特性 (100 mW cm-2)。

由于BTID-2F与PM6、Y6的混溶性对确定BTID-2F在活性层中的位置有重要作用。因此,作者利用差示扫描量热法(DSC) 对BTID-2F及其二元共混物的熔融行为进行了表征。发现BTID-2F与PM6之间更好的相容性使得大部分BTID-2F分散在PM6相中,少量分布在Y6相中。

图 3. a) PM6、BTID-2F 和 PM6:BTID-2F 混合物和 b) BTID-2F、Y6 和 Y6:BTID-2F 混合物在加热过程中的 DSC 曲线c) 纯 BTID-2F 和 Y6 薄膜的接触角图像。

随后,作者利用循环伏安法测试了不同BTID-2F含量下三元体系的给体和受体的HOMO和LUMO能级。随着BTID-2F含量的提升,共混给体HOMO能级单调下降。单调下降的HOMO能级增加了三元OSC中共混给体HOMO能级与共混受体LUMO能级之间的偏差,这一趋势与三元OSC中VOC的提高相一致。另外,相较于PM6:Y6二元器件,PM6:BTID-2F:Y6三元器件的能量损失明显降低,这为三元OSC器件VOC的提升提供了合理解释。

图 4. a) 共混膜的能级随 BTID-2F 含量的变化。 b) 二元和最佳三元共混膜的 EQEEL

此外,通过构建以 L8-BO 和 BTP-eC9 分别作为受体材料的三元 OSC,证实在保持两种给体之间良好的混溶性的情况下,基于 L8-BO 的三元OSC器件的 PCE 从 17.63% 提高到 18.52%,而基于 BTP-eC9 的系统由于 BTID-2F 和 BTP-eC9 之间的过度混溶而未能显示出性能提升。

这一结果表明,选取与给体和受体材料具有合适的混溶性,但具有较高HOMO能级的第三组分给体,为制备的高性能三元OSC提供了更多的选择。同时实现OSC材料带隙和器件 Voc 损失的降低这一发现,为进一步探索OSC的潜力提供了新的方法。

论文信息:

Simultaneously Decreasing the Bandgap and Voc Loss in Efficient Ternary Organic Solar Cells

Yangjun Yan, Yajie Zhang*, Yanan Liu, Yanan Shi, Dingding Qiu, Dan Deng, Jianqi Zhang, Boxin Wang, Muhammad Abdullah Adil, Kamran Amin, Waqar Ali Memon, Mengni Wang, Huiqiong Zhou, Xinghua Zhang*, Zhixiang Wei*

Advanced Energy Materials

DOI: 10.1002/aenm.202200129

原文链接:https://doi.org/10.1002/aenm.202200129