新聞網(wǎng)訊 我校材料科學(xué)與工程學(xué)院王逸凡副教授等人在材料學(xué)頂級期刊《Advanced Materials》（影響因子32.086）上發(fā)表題為“Quasi-Homojunction Organic Nonfullerene Photovoltaics Featuring Fundamentals Distinct from Bulk Heterojunction”的論文。（Adv. Mater.,https://doi.org/10.1002/adma.202206717）
有機太陽能電池具有可印刷制備、重量輕、柔性、半透明等優(yōu)點，是一種很有前途的下一代光伏技術(shù)。近年來，隨著以ITIC和Y6為代表的稠環(huán)電子受體材料的發(fā)展，有機太陽能電池發(fā)展迅速。然而，由于大多數(shù)有機半導(dǎo)體具有較低的介電常數(shù)(ε = 3~4)，因此在光激發(fā)下會產(chǎn)生具有高結(jié)合能而非自由電荷的Frenkel激子。激子解離依賴于給/受體界面提供的驅(qū)動力，因而足夠的給/受體界面是必不可少的。前期研究表明，給/受體相分離尺寸約為10~20 nm的本體異質(zhì)結(jié)是有效激子解離和電荷輸運的最佳形貌。因此，大多數(shù)高效有機太陽能電池的給體和受體含量大致相等。然而，BHJ結(jié)構(gòu)的形貌敏感性可能導(dǎo)致加工復(fù)雜性、固有能量損失和形貌不穩(wěn)定性，這些都限制了器件的性能和重復(fù)性。近年來的研究發(fā)現(xiàn)，Y6具有較高的雙極性遷移率，有利于電子和空穴輸運。另外，有報道表明Y6可以在沒有給/受體界面的幫助下，本征產(chǎn)生自由載流子。基于此，作者提出了一種新型的準(zhǔn)同質(zhì)結(jié)有機太陽能電池。區(qū)別于傳統(tǒng)的本體異質(zhì)結(jié)太陽能電池，QHJ太陽能電池活性層由極少量(≤10 wt%)的給體與占絕大部分的受體材料組成。
作者系統(tǒng)地研究了基于不同聚合物給體和稠環(huán)電子受體的QHJ有機太陽能電池。研究發(fā)現(xiàn)，基于PTB7-Th:Y6的有機太陽能電池在給/受體質(zhì)量比為1:8或1:20時，可分別保留95%或64%的最優(yōu)化器件（給/受體比為1:1.2）的能量轉(zhuǎn)換效率。并且，這種QHJ太陽能電池形貌穩(wěn)定性大大優(yōu)于傳統(tǒng)BHJ器件。有趣的是，當(dāng)給體濃度降低時，基于其他給體或稠環(huán)電子受體的器件的能量轉(zhuǎn)換效率會急劇下降。基于超快瞬態(tài)吸收、電流感應(yīng)原子力顯微鏡和軟X射線形貌表征等測試分析手段，作者展示了高效QHJ太陽能電池的工作機理。在基于PTB7-Th:Y6的QHJ中，很大一部分自由電荷本質(zhì)上是在純Y6相中產(chǎn)生的，而不是在給受體界面。Y6還起到了雙極性運輸通道的作用，使得在給體量很少的情況下實現(xiàn)了高效的空穴輸運。作者還比較了基于PTB7-Th:Y6的QHJ與基于PM6:Y6的QHJ。PTB7-Th:Y6 QHJ的器件性能優(yōu)于PM6:Y6 QHJ，主要得益于PTB7-Th:Y6 QHJ中更高的Y6相純度，從而促進了電荷輸運，通過四極場增強了能帶彎曲，并減少了界面上的載流子復(fù)合。少量PTB7-Th的主要作用是防止電荷復(fù)合，增強Y6內(nèi)部的四極場，這與傳統(tǒng)給體的作用是完全不同的。
這項工作突破了經(jīng)典的本體異質(zhì)結(jié)有機太陽能電池結(jié)構(gòu)，克服了本體異質(zhì)結(jié)的部分缺點。在準(zhǔn)同質(zhì)結(jié)有機太陽能電池中，可以通過提高本征電荷的產(chǎn)生和減少電荷重組來實現(xiàn)高器件效率，而不僅僅是依賴于給受體界面上的激子解離。這種新的器件結(jié)構(gòu)也有利于一些其他應(yīng)用，如半透明有機太陽能電池和近紅外光電探測器。
我校材料科學(xué)與工程學(xué)院王逸凡副教授是論文的第一作者，青島大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院是第一單位，北京大學(xué)占肖衛(wèi)教授是通訊作者。合作者還包括新西蘭惠靈頓維多利亞大學(xué)Justin M. Hodgkiss課題組、美國雪城大學(xué)Quinn Qiao課題組、東華大學(xué)唐正課題組、西安交通大學(xué)馬偉課題組。
QHJ非富勒烯有機太陽能電池基本工作機理
論文信息：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi.org/10.1002/adma.202206717
Quasi-Homojunction Organic Nonfullerene Photovoltaics Featuring Fundamentals Distinct from Bulk Heterojunction
Yifan Wang, Michael B. Price,* Raja Sekhar Bobba, Heng Lu, Jingwei Xue, Yilin Wang, Mengyang Li, Aleksandra Ilina, Paul A. Hume, Boyu Jia, Tengfei Li, Yuchen Zhang, Nathaniel J.L.K. Davis, Zheng Tang, Wei Ma, Quinn Qiao, Justin M. Hodgkiss, Xiaowei Zhan*
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