OPV中的“入乡随俗”——非富勒烯受体材料三元有机太阳能电池实现新突破

来源：高分子科学前沿

詹传郎/颜河/路新慧合作：OPV中的“入乡随俗”——非富勒烯受体材料三元有机太阳能电池实现新突破

具有质轻、柔性、成本低、易于大面积印刷制造等优点的有机太阳能电池作为一种绿色、可再生的能源技术得到了广泛关注并发展迅速。得益于材料设计的创新以及器件结构的不断优化，目前基于非富勒烯受体（NFA）的单结有机太阳能电池（OSCs）光电转换效率（PCE）已经超过15%。然而，有机材料吸收范围窄、载流子迁移率低且易复合等特性制约了有机光伏器件的进一步突破。应对这一挑战，研究人员开发了三元电池、叠层电池等技术来提高有机光伏器件光电转换效率。三元有机太阳能电池保持单节器件结构，制备工艺简单，第三组分的加入可以调控并优化活性层的光学、电学特性以及薄膜形貌，能够有效提高器件性能。

近日，内蒙古师范大学/中国科学院化学研究所詹传郎教授团队，联合香港科技大学颜河教授、香港中文大学路新慧教授等报道了一种基于窄带隙受体Y6、中带隙受体ITCT以及给体PBDB-T-SF的三元有机太阳能电池，其光电转换效率达到了16.1%。在这个工作中，作者借鉴超分子化学中的主客体概念，由于所引入的客体受体分子（ITCT）遵从主体受体分子（Y6）的聚集行为，因此，主体受体分子（Y6）的堆积和活性层形貌得到了很好的保持，这样，在客体分子（客）遵从（随）主体分子（主）的聚集行为（便）——客随主便——的基础上，实现了主客体受体分子间的协同作用，达到了提升器件性能的目的。

与通常采用的引入窄带隙NFA作为第三组分，拓宽近红外（NIR）吸收从而增大Jsc的方法不同，此工作报道的作为客体分子（第三组分）的中带隙受体分子ITCT不仅可以有效调控共混受体的LUMO能级，而且与主体分子Y6相容性较好，在保持原有二元体系π-π堆积的同时，能够提高共混薄膜结晶性并增大相分离，成功提升了器件的开路电压Voc与填充因子FF。这种方法在以PBDB-T-SF:IT-4F作为二元体系时同样适用。该论文发表在Materials Horizons杂志上（DOI: 10.1039/c9mh00844f），题为“The Synergy of Host-Guest Nonfullerene Acceptors Enables 16%-Efficiency Polymer Solar Cells with Increased Open-Circuit Voltage and Fill-Factor”。

图1. 化学结构、吸收光谱、能级排布、器件性能

研究人员采用了ITO/PEDOT:PSS/活性层/PDINO/Al正装结构制备太阳能电池器件。当基于PBDB-T-SF:Y6二元体系制备三元电池时，总给体与受体的比例保持为1:1.2，当Y6:ITCT质量比为1.1:0.1时，三元电池器件获得最好的性能，平均PCE为15.8％，最大PCE为16.1％，其中JSC为24.75 mA/cm2，VOC为0.885 V，FF为73.67%。与二元太阳能电池相比，由于开路电压和填充因子同时提高，短路电流维持不变，因此器件的效率由15.1％提高到16.1%。当基于PBDB-T-SF:IT-4F二元体系制备三元电池时，总给体与受体的比例保持为1:1，当IT-4F:ITCT质量比为0.9:0.1的时，三元电池器件获得最大PCE为13.7％。

图2所示，ITCT作为第三组分加入后，器件的载流子迁移率得到不同程度的提升；表征载流子复合程度的参数n和α均更趋近于1，说明ITCT的引入抑制了双分子复合与陷阱复合；同时载流子产生和收集效率也得到提高。以上器件性能的提升得益于ITCT分子与二元主体良好的相容性，共混后形成了均匀的互穿网络，增强了结晶性并增大了相分离程度（图3）。

图2. 迁移率、复合、电荷产生与收集效率

图3. 活性层TEM、AFM

总体而言，该工作充分发挥了高LUMO能级小分子受体在有机光伏器件中的优势，达到了提高开路电压与填充因子的目的，为三元有机太阳能电池的设计与优化提供了新的思路。