近日，北理工王金亮教授團隊在構(gòu)筑高效三元有機太陽能電池方面取得進展，相關(guān)研究成果發(fā)表于國際材料領(lǐng)域著名學(xué)術(shù)期刊《Advanced Functional Materials》上，題為“Isogenous Asymmetric-Symmetric Acceptors Enable Efficient Ternary Organic Solar Cells with Thin and 300 nm Thick Active Layers Simultaneously”。化學(xué)與化工學(xué)院博士研究生白海瑞為論文第一作者，王金亮教授、安橋石特別研究員以及Han Young Woo教授（韓國高麗大學(xué)）為通訊作者，北京理工大學(xué)為第一通訊單位。論文的合作者還包括北京工商大學(xué)李熊教授。

 

       環(huán)境污染和能源危機是當(dāng)今世界面臨的兩大難題，開發(fā)與利用高效率清潔能源是國家能源戰(zhàn)略中亟需解決的重大科學(xué)問題。有機太陽能電池以其高靈活性、半透明、多彩、重量輕以及低成本商業(yè)化制造等優(yōu)勢成為最有前景的光電轉(zhuǎn)換技術(shù)之一。有機太陽能電池的性能主要取決于活性層光吸收、激子離解、電荷傳輸和收集能力等。因此，十分有必要從多角度出發(fā)，研發(fā)各種策略來提高器件性能�；�于此類科學(xué)問題，王金亮教授與安橋石特別研究員團隊聯(lián)合國內(nèi)外課題組，通過將合成有機新材料與器件制備相結(jié)合，開發(fā)了多種高效率的有機給/受體材料和高性能器件。在“BIT”系列小分子給體材料（ Adv. Funct. Mater. 2015,  25 , 3514（ESI高被引論文）;  J. Am. Chem. Soc. 2016,  138 , 7687（ESI高被引論文）;  Adv. Funct. Mater. 2016,  26 , 1803（ESI高被引論文）;  Joule , 2019,  3 , 846（ESI高被引論文）等）、含硒吩類與鹵素調(diào)控給/受體材料（ ACS Energy Lett. , 2018,  3 , 2967;  ChemSusChem 2021,  14 , 4454;  Angew. Chem. Int. Ed. 2021,  60 , 19241 （ESI高被引論文）;  Adv. Funct. Mater. 2022,  32 , 2108289;  Energy Environ. Sci. , 2022,  15 , 320等）、高效全小分子器件（ Energy Environ. Sci. 2021,  14 , 3945（ESI高被引論文）;  ACS Energy Lett. 2021,  6 , 2898等）以及機器學(xué)習(xí)輔助有機太陽能電池研究（ Energy Environ. Sci. 2021,  14 , 90（ESI高被引論文））等方面取得了一系列研究進展。

 

       三元策略是一種有效提高有機太陽能電池效率的方法，其已成為該領(lǐng)域的研究熱點。此外，三元策略在緩解器件效率對活性層厚度敏感方面展現(xiàn)出巨大潛力。活性層厚度的增加會導(dǎo)致載流子遷移率降低與失衡，空間電荷堆積以及復(fù)合增加。隨著活性層厚度的增加，器件效率急劇下降，這是有機太陽能電池大規(guī)模應(yīng)用亟待解決的關(guān)鍵問題。在二元體系中引入適當(dāng)?shù)牡谌�組分能夠有效增強有源層的光子俘獲，優(yōu)化能級和能量/電荷轉(zhuǎn)移的路徑，進而提升電荷的生成及收集效率。因此，如何甄選第三組分是構(gòu)筑高效率且膜厚不敏感有機太陽能電池的核心問題。

圖1. 相關(guān)分子結(jié)構(gòu)與基本性質(zhì)

 

       考慮到同源衍生物具有相似的分子結(jié)構(gòu)和良好的兼容性，通過使用同構(gòu)型小分子Y6-1O和Y7-BO作為受體，明星聚合物PM6作為給體來制備高性能三元器件。Y6-1O與Y7-BO具有類似的“BTP”稠環(huán)分子骨架，使得兩個受體之間具有極好的兼容性，從而有利于精細調(diào)控三元共混物的形貌以獲得優(yōu)化的短路電流密度和填充因子。另一方面，不同的鹵素取代端基和兩個受體中不同的不對稱或?qū)ΨQ核心單元能夠提供互補的吸收和可調(diào)節(jié)的能級，這有助于在短路電流密度與開路電壓之間獲得良好的平衡。

圖2. 器件的光伏性能

 

       研究結(jié)果顯示，當(dāng)Y6-1O在受體中的含量為10 wt%時，三元器件最優(yōu)效率達到18.11%，填充因子為79.27%。當(dāng)器件的活性層厚度增加到300 nm或400 nm時，三元器件仍能保持16.61%或15.71%效率，均為目前已報道同厚度器件效率的最高值。三元器件效率的提升主要歸因于更高效的電荷生成和提取過程，其得益于光子捕獲的增加、能級及形貌的優(yōu)化。該工作結(jié)果表明，將同源非富勒烯受體Y6-1O和Y7-BO相結(jié)合是同時實現(xiàn)高效薄膜和厚膜三元有機太陽能電池的一種有效策略。

圖3. 活性層形貌研究

 

       上述研究工作得到了國家自然科學(xué)基金項目、國家海外高層次人才青年項目、北京理工大學(xué)特立青年學(xué)者計劃等項目以及北京市光電轉(zhuǎn)換材料重點實驗室的支持。北京理工大學(xué)分析測試中心為材料及器件表征提供了支持。

 

       文章全文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adfm.202200807