彭瑞祥&葛子义 CEJ：掺杂基于喹喔啉的非富勒烯受体，使三元OSCs实现18.9%的PCE

• 阅读： 2023/9/22 14:08:16

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  前言回顾

  有机太阳能电池（OSCs）因其透明、柔韧性、重量轻、成本低等明显优势而备受关注。其中，单结 OSCs 已获得超过 19% 的功率转换效率（PCE）。然而，与无机太阳能电池和钙钛矿太阳能电池相比，由于开路电压较小从而引起的能量损失约 0.6 eV 至 1.1 eV，这将会阻碍合成具有高性能的 OSCs。在太阳能电池中，E损失包含三部分：光间隙上的辐射复合能量损失（ΔE1）和低于光学间隙（ΔE2）和非辐射复合能量损失（ΔE3)。其中，在OSCs中的ΔE1和 ΔE2可以与无机和钙钛矿太阳能电池中的太阳能电池相媲美，这主要是因为含有出色的NFAs材料。因此，如何有效降低由供体/受体界面处的非辐射电荷复合所引起的ΔE3，成为降低OSCs中Eloss的关键因素。

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  文献简介

  基于此，中国科学院的彭瑞祥和葛子义等人成功合成了一种新型的NFA，BQ，它由一个喹喔啉核心和两个独特的卤代噻吩熔融基终端组成。与Y系列受体N3相比，BQ表现出显着的蓝移吸收和上移能量水平。当将受体BQ引入D18：N3的二元OSCs时，BQ的能级位于供体D18和受体N3之间，这就构建了一个级联模型，有利于TOSCs中的电荷转移。此外，BQ在调节共混物形貌和减少非辐射复合能量损失方面起着重要作用。值得注意的是，基于20 wt% BQ的三元器件显示出18.9%的显著PCE，适中的Voc（0.846 V），27.92 mA cm?2的较高的短路电流密度（Jsc）以及 79.95%的出色填充因子（FF）。该工作表明，在二元器件中引入高电压和低能量损耗的喹喔啉受体是构建出色性能TOSCs的有效方法。

  图1. (a) D18、BQ和N3的化学结构; (b) UV-vis-NIR吸收光谱; (c) CV曲线: (d) D18、N3和BQ的能级图

  图2. (a) 具有不同BQ重量比的OSCs的J–V曲线; (b) 基于D18:N3的二元器件和基于D18:N3:BQ的三元器件的效率直方图; (c) Jsc、FF、Voc和PCE随BQ不同重量比的变化; (d) 具有不同BQ重量比的OSCs的EQE光谱

  图3. (a–c) 具有不同BQ重量比的D18:N3共混膜在800nm激发下的TA光谱; (d) 在530nm处监测的三种共混膜的衰变动力学; (e) 纯N3、纯BQ和N3:BQ（4:1）共混膜的PL光谱（750nm激发）; (f) 三种共混膜的电子和空穴迁移率; (g) Jsc对相关OSCs的光强（Plight）依赖性; (h) Voc对相关OSCs的光强（Plight）依赖性; (i) 光电流密度

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  文献总结

  总之，该课题组成功合成了一种基于喹喔啉的新型受体BQ，以构建有效的TOSCs。由于BQ的缺电子核心和两个卤代噻吩熔端位，当与供体 D18 混合时，大幅上移的LUMO能级可以实现更高的Voc，其值为0.959 V。当将20 wt%受体BQ掺入二元的D18:N3时，获得了具有18.89%的高PCE。值得注意的是，基于D18:N3:BQ的三元器件不仅能保留初始二元器件的良好光纤网络形态，而且通过掺入受体BQ，可以调节相域的大小和纯度，有利于激子解离、载流子转移和收集过程以及获得高的Jsc和FF值，基于 D18:N3:BQ 的设备提供了0.547 eV的 Eloss ，以及更低的值为18.3 eV的△E3，这表明在二元体系中掺杂BQ有助于抑制非辐射复合能量损失。相关研究成果最新发表于国际知名期刊《Chemical Engineering Journal》上，题为“Quinoxaline-based non-fullerene guest acceptor enables ternary organic solar cells achieving 18.9% efficiency via reducing energy loss and regulating mor‐phology”。

  本文关键词：喹喔啉类客体受体；三元有机太阳能电池；电荷转移；能量损失

  转自：“有机钙钛矿光电前沿”微信公众号

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