具有帶隙高度可調, 質輕, 柔性, 低成本等顯著特點的有機太陽能電池是新一代光伏技術的重要發展方向. 有機太陽能電池受限於有機材料 '窄吸收' 特性, 二元共混薄膜難以實現對太陽能的有效寬光譜利用, 並且始終存在相共混 (利於激子解離) 和相分離 (利於電荷傳輸) 這對基礎性矛盾, 制約了有機光伏器件性能的進一步突破. 三元有機太陽能電池保持單節電池結構, 在二元活性層中引入吸收互補的第三組分, 增強光譜吸收. 儘管三元電池取得了一定成功, 但仍面臨著嚴峻的挑戰, 其核心問題在於對三元共混薄膜難以實現清晰, 有效的形貌控制, 用以同時保證高效的激子解離和電荷傳輸, 因此, 已報道三元電池性能提升幅度較低.
在國家自然科學基金委, 科技部和中國科學院的支援下, 中科院化學研究所有機固體重點實驗室研究員朱曉張課題組科研人員利用前期發展的噻吩並噻吩類光伏受體新材料NITI (Adv.Mater.2017,29,1704510) , 合理選擇二元體系, 構築了具有 '分級結構' 的三元活性層形貌, 實現了光電轉化效率的大幅提升, 闡釋了形貌對光電過程和器件參數的決定性影響, 相關論文發表在《自然-能源》雜誌上 (NatureEnergy, DOI: 10.1038/s41560-018-0234-9) .
三元共混薄膜分別選取了強結晶, 寬頻隙電子給體材料BTR, 弱結晶, 窄帶隙電子受體材料NITI和具有強聚集和優異電子傳輸特性的富勒烯受體PC71BM, 三者形成了有利的梯度電子結構和互補光吸收. 經器件優化製備, 上述三元器件在300nm最佳膜厚下取得最高13.63% (平均13.20%) 光電轉換效率, 相對二元器件性能提升幅度高達51%和100%, 這不僅是全小分子太陽能電池的最高性能記錄, 也是性能最優的厚膜(﹥200nm)有機太陽能電池. 他們聯合上海交通大學和瑞典林雪平大學相關課題組合作, 提出 '分級結構' 的三元活性層新形貌: NITI和BTR高度共混, 形成有利於電荷分離的小相分離精細結構, PC71BM在BTR和NITI共混區外圍形成大尺度的相分離結構和有利的face-on堆積. 研究者證明了NITI受體在光電過程中發揮了重要作用, 它一方面抑制BTR和PC71BM的接觸, 使得三元器件獲得和二元器件(BTR:NITI)相當的低損耗開路電壓; PC71BM在活性層中形成了電子傳輸高速通路, 將NITI分離的電子有效輸運至電極, 從而同時保證了高的外量子效率(EQEs)和填充因子 (FF) .
總體而言, 該工作設計並實現了有機三元電池活性層新形貌, 充分發揮了小分子和富勒烯電子受體在有機太陽能電池中的獨特優勢, 同時實現了高開壓, 高電流和高填充因子, 為有機三元電池活性層形貌調控提供了新思路.
圖1. 化學結構, 能級排布, 吸收光譜和器件性能
圖2. 分級結構示意圖和有機太陽能電池性能統計
