Small Methods:高效三元有机光伏的实现与理解-形貌、能损和工作机理

有机光伏技术因其质轻、柔性、可半透明等特性,具备广泛的功能化应用场景,是实现绿色能源获取的有效途径之一。近几年,随着光伏材料体系的革新和器件工艺技术的进化,有机光伏的光电转化效率实现了快速飞跃,迈入到19%以上的阶段。优异的性能,得益于器件工作过程中的载流子传输与复合的优化调控,而这又源于形貌优化与能损抑制这两大方面。具备纵向分布趋势的双连续互穿网络结构,是比较理想的形貌特征;而器件高发光性与低能量无序度是实现能损抑制的关键。随着效率的水涨船高,在形貌优化和能损抑制方面,简单的二元体系面临着越来越多的挑战,为此,引入一个第三组分构筑三元器件,成为了调控形貌和降低能损的有效策略之一。特别是针对目前最先进的Y体系受体材料,三元策略大行其道,不断刷新有机光伏的效率记录。此外,随着材料体系的革新和效率水平的提升,三元策略的设计规则和工作机理也随之更新,需要有一个全新的认识。

鉴于上述背景,浙江大学陈红征教授课题组系统综述了近期高效三元有机光伏的研究进展,从形貌、能损和工作机理三个层次,总结分析了相关工作,探讨了第三组分在形成类合金相、构筑纵向分布、调控发光性、抑制能量无序度和影响工作机制方面的角色,并对未来发展作出了相应的展望。

【图1】第三组分对不同参数的调控及其对光伏性能的影响图示

形貌. 作者在形貌部分,首先概述了小分子受体之间或聚合物受体之间类合金相的构筑情形,以及类合金相的形成对相分离、激子扩散长度等性质的调控,并发现在大部分情形下,类合金相的形成需要材料之间具备良好的相容性,并且基于类合金相的三元器件,可以实现三大器件参数的协同提升。其次,作者分析了三元策略调控活性层纵向分布的相关工作,发现引入相容性差的第三组分和逐步沉积给受体材料均有利于纵向分布的构筑,同时纵向分布的形成有利于实现更好的相纯度、更长的激子扩散距离、更短的电荷传输路径和更有效的电荷收集,这也便于厚膜器件的制备。

能损. 作者在能损部分,分别从器件发光性的调控和能量无序度的抑制两个角度入手,概述了相应的三元分子匹配策略,发现增强发光性通常会引入更宽带隙的低能损第三组分,主要包括含茚酮类的不对称受体、含罗丹宁类的对称受体、末端共轭拓展或溴代的受体、有聚集诱导发光效应的受体等;而能量无序度的降低要求两受体之间存在特殊的相互作用,从而降低体系的重组能和Urbach能。如果三元体系在发光性和能量无序度两方面均得到改善,三元器件有机会实现高于两个二元体系的电压,从而实现能损的有效降低。

【图2】类合金相、多级相、纵向分布相形貌以及能损的相关图示

工作机理. 作者在工作机理部分主要探讨了三元体系的一些新认识,包括稀释效应解释三元中电压的线性变化关系,给受体之间作用类型解释三元中非辐射复合损失的抑制,以及受体复合体之间堆叠强度变化解释三元中电荷传输性质的增强。

最后,作者对三元体系未来研究方向作了相关展望,包括分子级别的三元研究、从纯材料荧光产率到器件电致发光效率的改善、三元策略提升稳定性的机制、三元体系在厚膜和大面积模组上的应用等等。

论文信息:

Achieving and Understanding of Highly Efficient Ternary Organic Photovoltaics: From Morphology and Energy Loss to Working Mechanism

Shuixing Li, Lingling Zhan, Yaokai Li, Chengliang He, Lijian Zuo, Minmin Shi, Hongzheng Chen*

Small Methods

DOI: 10.1002/smtd.202200828

原文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smtd.202200828