ACS AMI:双体异质结结构的高性能有机光伏器件

发表时间：2021-06-12 12:07作者：知研光电材料

导语：利用PM6:Y6-Se-4Cl/PM6:Y6构建双体异质结结构，获得光电转换效率高达15.8%的有机光伏器件。

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1.前言

有机光伏器件（OPVs）具有重量轻、成本低、灵活性好、半透明等众多优点，是新一代非常有前景的可再生能源，目前单结和串联OPVs的光电转换效率（PCE）已经超过了18%。近年来，非富勒烯受体（NFAs）所具有的A-D-A型结构显示出开发高性能OPVs的巨大潜力。为了让NFAs更有效地吸收太阳光，研究人员设计出一系列窄带隙受体。这其中，缩小A-D-A小分子结构带隙的最有效方法之一是在D部位附加一个更富电子的单元，强的分子内电荷转移会使NFAs的吸收红移到近红外区。

然而，如果只通过增加分子的共轭长度来达到上述的目的，具有一定的限制性，这是因为最终NFAs和给体之间的HOMO能级偏移可能并不合适。另一种方法是利用Se原子替代S原子，由于Se原子较低的电子离域性会导致较强的电子轨道重叠，这种行为将增强醌式共振，从而降低分子的带隙。事实上，已经开发的各种含硒NFAs为OPVs器件提供了优异的性能和高的短路电流密度。此外，改善体异质结（BHJ）共混物的形态对于OPVs的性能也起着至关重要的作用，但BHJ中给体和受体的随机混合可以获得有效的激子解离，却很难导致电荷传输，这就为进一步OPVs性能的改进提供了很大的空间。

2.简介

基于以上的挑战，近日，台湾阳明交通大学Kung-Hwa Wei、台湾长庚大学Chih-Wei Chu等人研究团队开发了一种改进OPVs效率的新方法，即通过将第二个BHJ结构转移到第一个BHJ结构上，最终形成具有两个不同NFAs浓度梯度的活性层。具体而言，对于底部BHJ层，研究人员使用基于PM6:Y6-Se-4Cl的体系。据推测，由于Y6-Se-4Cl中Se原子的存在，将增强分子间的相互作用和电荷传输能力，从而拓宽吸收光谱。而后，他们在第一个PM6:Y6-Se-4Cl BHJ层的顶部转移第二个BHJ层，包括PM6:Y6或PM6:IT-4Cl，这两种不同NFAs浓度梯度的垂直分离提高了OPVs的性能。

研究结果显示：采用PM6:Y6-Se-4Cl/PM6:Y6和PM6:Y6-Se-4Cl/IT-4Cl的双BHJ器件的最佳PCE分别为16.4%和15.8%，明显高于基于PM6:Y6-Se-4Cl（15.0%）、PM6:Y6（15.4%）和PM6:IT-4Cl（11.6%）的这些传统结构器件。与传统的活性层结构相比，双BHJ器件具有更高的电荷分离和电荷收集能力，相应光伏参数也有很大的提高。

3.总结

综上，该工作为进一步提高OPVs性能提出一种潜在而高效的方法。相关研究成果现已发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上，题为“High-Performance Organic Solar Cells Featuring Double Bulk Heterojunction Structures with Vertical-Gradient Selenium Heterocyclic Nonfullerene Acceptor Concentrations”。

本文关键词：有机太阳能电池，体异质结，电荷传输，PM6，Y6，Y6-Se-4Cl，IT-4Cl。

4.文中所涉及相关材料