一种新型双螺芴型非富勒烯受体助力高效三元有机太阳能电池学术资讯

来源：中国科学杂志社

有机太阳能电池(OSC)具有重量轻、成本低、可弯曲、可大面积制备等优点，被认为是具有重大产业前景的新一代绿色能源技术。目前提升电池性能最主要的手段还是对活性层的改进，然而二元器件由于吸收光谱范围较窄、能量损失较高并且电荷转移效率偏低等缺陷，限制了单结太阳能电池效率的提高。叠层串联电池虽然可以最大限度地利用太阳光，但其器件结构繁杂，相比之下三元电池的优势较为明显。在器件工艺并不繁杂的前提下，合理的第三组分的加入可以拓宽有源层的吸光范围，并且能在能量转移或电子传递中发挥积极作用。但是如何在保持较高短路电流的同时，既不会降低开路电压也不破坏活性层的膜形貌，这就让第三组分的选择受到了一定的限制。

针对上述问题，中科院宁波材料技术与工程研究所葛子义研究员、河北工业大学毕文刚教授设计了一种新型双螺芴型非富勒烯小分子受体DTF-IC。掺杂10% 的DTF-IC到PBDB-T:IT-M体系，可大幅提高短路电流，改善了活性层的膜形貌，器件效率由10.9%提升至12.14%（图1）。河北工业大学硕士研究生吴丽荣，中国科学院宁波材料所课题硕士研究生谢凌超为该文共同第一作者。相关论文在线发表于Science Bulletin (“Efficient ternary organic solar cells based on a twin spiro-type non-fullerene acceptor”)。

图1 三元有机太阳能电池效率达到12.14%

三元器件基于典型的PBDB-T:IT-M体系，给受体三个组分的化学结构、能级以及吸收光谱如图2所示。DTF-IC的加入使得给受体在可见光区域形成明显的吸收互补状态，提高了700-800 nm范围内的光子捕获能力，从而使得三元器件的短路电流提高了11%。除此之外，DTF-IC的HOMO能级和LUMO能级均低于PBDB-T，但仍高于IT-M。第三组分的加入为原有二元体系形成能量的级联，该级联能级有利于给受体之间进行有效的电荷转移，促进了载流子的传输和收集。

图2 给受体三个组分的化学结构、能级以及吸收光谱图

器件结构图、效率图、统计分布图以及外量子效率图如图3所示。为了深入探究光伏性能提高的机理，先后从形貌分析、电荷转移机理、激子解离与重组机制等方法，总结了效率提升的主要原因。DTF-IC的加入拓宽了吸光范围；给受体间能量的级联有助于增强电荷传输；DTF-IC的高结晶性可以改善活性层的结晶过程，保持适当大小的相分离。这为非富勒烯受体侧链工程提出了新思路，为第三组分材料的选择提供了新的方向。

图3 器件结构图、效率图、统计分布图以及外量子效率图

来源：scichina1950 中国科学杂志社

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