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基于喹喔啉电子受体的有机太阳能电池:兼具高光电转化效率和低能量损失

Science China Press

有机光伏材料因其低成本、可以大面积制造或用于制备柔性和半透明器件而备受关注。然而,与无机和钙钛矿太阳能电池相比,有机太阳能电池表现出低的光-电转换效率,这主要是因为有机材料内在的低介电常数导致相对大的能量损失(Eloss=Eg–qVoc,其中Eg是光活性层的光学带隙,Voc是光伏器件的开路电压)。对于应用富勒烯衍生物作为电子受体的传统体异质结有机太阳能电池,能量损失通常高于0.6 eV,这使得光电转换效率低于12%。随着稠环电子受体,特别是具有受体-给体-受体排列的稠环电子受体的发展,非富勒烯太阳能电池的光电转换迅速超过12%,甚至达到16%,其中不少材料的能量损失低于0.6 eV。

尽管这对无机或钙钛矿太阳能电池来说是正常的,但能量损失低于0.5 eV的高性能有机太阳能电池迄今为止较为罕见,这意味着高能量损失仍然是限制有机光伏效率的关键因素。最近,来自中科院化学研究所的朱晓张研究团队通过将具有醌式化效应的喹喔啉以稠环方式引入给受体体系中,设计合成了一种电子受体材料AQx。他们进行了紫外-可见-近红外吸收光谱测试,根据薄膜吸收末端的波长(918nm)计算得出AQx具有1.35 eV光学带隙,同时研究人员还采用循环伏安法以评估AQx的前线轨道能级,结果表明化合物AQx的最高占据分子轨道和最低未占分子轨道能级分别为–5.58和–3.85 eV。通过与中宽带隙聚合物给体PBDB-TF匹配,制备的器件在不加任何后处理的情况下获得10.99%的光电转化效率。经过器件优化效率提升至13.31%,其中短路电流为22.18 mA cm2,填充因子为67.14%,开路电压为0.89V。研究人员进行了外量子效率(EQE)测试,基于AQx的器件在300至900nm处显示出宽且高的EQE响应,这与相应光活性组分的吸收光谱一致,在不同条件下根据EQE光谱积分计算出的电流与根据电流-电压曲线获得的短路电流具有很好的可比性,误差为2%~3%。根据Eloss=Eg−qVoc计算基于AQx器件的能量损失,其中Eg基于EQE光谱确定,结果表明不同条件处理混合薄膜能量损失都低于0.47eV,并且最优器件的能量损失低至0.45eV,这是目前效率超过13%的二元有机光伏器件中最低的能量损失。

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该项目由国家重点研发计划 (2017YFA0204700),中国科学院战略性先导科技专项(B类)(XDB12010200),以及国家自然科学基金 (21572234, 21661132006, 91833304, 21805289) 提供支持。

更多详情请阅原文:

Wenrui Liu, Jianyun Zhang, Shengjie Xu, Xiaozhang Zhu. Efficient organic solar cells achieved at a low energy loss. Science Bulletin, 2019, 64(16)1144-1147

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095927319304025

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