化学所侯剑辉课题组AM：通过调节相变动力学提高有机光伏电池的光子利用效率
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阅读： 2023/2/16 10:53:16
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前言回顾
有机半导体具有高度可调的光电性能，是制备高效有机光伏（OPV）电池的理想材料。在过去几年中，随着新型材料的出现，特别是非富勒烯受体（NFAs）极大地促进了OPV电池的发展。尽管OPV电池的功率转换效率（PCE）很高，但进一步提高其性能仍然是一个核心问题。材料类型和活性层形态是决定OPV电池光子利用效率的两个关键因素。光伏材料不仅决定活性层的光吸收，还影响光生激子的性质。具有大消光系数和小激子结合能的宽带隙给体和窄带隙NFAs被广泛用于制备体异质结（BHJ）OPV电池。此外，为了有效地将激子转化为自由电荷，有必要提高电荷分离和收集的效率，而这主要由活性层的形态控制。因此，除了开发新材料外，还需要合适的形态学来进一步改善OPV电池的PCE。
图1.给受体结构、光谱吸收、能级排列等相关性质
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文献简介
有鉴于此，近日，中科院化学研究所侯剑辉研究员团队通过使用两种聚合物给体PBQx-TCl和PBDB-TF以及一种小分子受体eC9-2Cl，探究了一种具有有效电荷转移和传输的多尺度原纤维网络形态。研究人员系统地研究了该多组分体系的成膜过程和畴尺寸。PBQx-TCl和PBDB-TF表现出完全独立的相变过程。其中，PBDB-TF的整个结晶过程与eC9-2Cl的溶剂蒸发和成核阶段一致。随后，PBQx-TCl和eC9-2Cl同步完成了结晶过程。由于这三种组分的混溶性和结晶度不同，PBDB-TF形成了细纤维分布在由PBQx-TCl和eC9-2Cl形成的纤维网络上，以及与eC9-2Cl的纤维形成混合相。此外，由于PBDB-TF的引入，PBQx-TCl和eC9-2Cl缩短了结晶时间，从而避免了超大原纤维结构的形成。
图2.共混物成膜过程示意图
最后，研究结果显示，在基于PBQx-TCl:PBDB-TF:eC9-2Cl的三元OPV电池器件中实现了19.51%的高PCE，显著高于二元电池器件。值得注意的是，优化的三元电池具有高的光子利用效率，外部量子效率（EQE）值在较宽的波长范围（500至800 nm）内仍能超过85%。此外，为了进一步提高光子利用效率，研究人员进一步使用优化的三元体系作为子电池，制备了一个具有超过20%的优异PCE的高性能串联OPV电池。总之，这些结果表明，调整多尺度纤维网络形态是改善当前高性能OPV电池PCE的有效方法。
图3.不同器件的光伏性能比较
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文献总结
综上，这项工作为构建理想的多尺度纤维网络形态提供了参考，可以作为进一步改善当前高性能OPV电池PCE的可行和有效策略。相关研究成果最新发表于国际顶级期刊《Advanced Materials》上，题为“Enhancing Photon Utilization Efficiency for High-Performance Organic Photovoltaic Cells via Regulating Phase Transition Kinetics”。
本文关键词：有机太阳能电池，三元器件，共混物形貌，相演化，原纤维网络形态。
转自：“有机光电前沿”微信公众号
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