中科院化学所JACS：在无富勒烯串联有机太阳能电池中通过微调光敏和交互层实现超过13%的效率

【引言】

溶液法制备的有机太阳能电池的光敏层由有机半导体组成，由于其优点能够通过廉价打印技术制备质轻、大比表面积和柔性太阳能板而受到关注。因为有机半导体的光吸收来源于最高占据分子轨道（HOMO）和最低未占据轨道（LUMO）之间的π-π^*转变，这些材料显示出的吸收峰在半最大处具有窄的全宽限制了对太阳光的收集，因此通过堆叠具有连续补偿吸收光谱的两层和更多层光敏层组建串联有机太阳能电池作为提高光吸收的有效方法。在光敏材料中，传统的交互层由两层结构组成包括一个p型和n型交互层材料，同时在串联的有机太阳能电池中会影响其光敏性能。

最近，中国科学院化学研究所侯剑辉研究员、许博为副研究员（共同通讯）在Journal of the American Chemical Society上以“Fine-Tuned Photoactive and Interconnection Layers for Achieving over 13% Efficiency in a Fullerene-Free Tandem Organic Solar Cell”为题发表文章，文章中研究者们设计了一种新型无富勒烯具有1.68V光禁带的接收器接收前方太阳光，并且优化一个具有1.36eV E_g^opt无富勒烯活性层的相位分离形态制备后方子单元。两个子单元具有低能耗、高表面量子效率、光响应谱互补；另外，交互层由ZnO、中性自掺杂导电聚合物、PCP-Na组成，在近红外区域具有高透光系数。

英文缩写注释：

PCE功率转换效率；ICL交互层；OSCs有机太阳能电池；NBG窄带隙；EOE外部量子效率；NF无富勒 烯；WBG宽带隙；ICT分子间电荷转移；FF填充因子；

ITCC-M3,9-bis((Z)-1-(6-(dicyanomethylene)-2-methyl-5,6-dihydro-6H-cyclopenta[b]thiophen-6-one-5-yl)ethylene)-5,5,11,11-tetrakis(4-hexylphenyl)dithieno[2,3-d:2′,3′-d′]-sindaceno[1,2-b:5,6-b′]dithiophene

ITIC3,9-bis(2-methylene-(3-(1,1-dicyanomethylene)-indanone)-5,5,11,11-tetrakis(4-hexylphenyl)dithieno[2,3-d:2′,3′-d′]-s-indaceno[1,2-b:5,6-b′]dithiophene

PBDBTpoly[(2,6-(4,8-bis(5-(2-ethylhexyl)thiophen-2-yl)benzo[1,2-b:4,5-b′]dithiophene)-co-(1,3-bis(5-thiophene-2-yl)-5,7-bis(2-ethylhexyl)benzo[1,2-c:4,5-c]dithiophene-4,8-dione)]

【图文导读】

图一 串联有机太阳能电池中材料性质

a,c)前半电池给电子和后半电池受电子材料的分子结构；

d)在串联电池中交互层，PCO-Na的分子结构；

b)串联有机太阳能电池的器件结构；

e)ITIC分子结构；

f)研究中所用到材料的能级原理图。

图二 ITIC和ITIC-M的性质

a)在B3LYP/6-31G(d,p)水平下计算ITIC和ITIC-M的表面HOMO和LUMO；

b) ITIC和ITIC-M的正常吸收峰图谱；

c,d)PBDB-T:ITIC和PBDB-T:ITIC-M有机太阳能电池的J-V曲线和EQE曲线。

图三 PBDTTT-E-T:IEICO有机太阳能电池性能表征

a,b) 在不同情况下制备的PBDTTT-E-T:IEICO有机太阳能电池的J-V曲线和EQE；

c-e) PBDTTT-E-T:IEICO弯曲薄膜的AFM地形图、AFM相图和TEM图（c:没有SVA；d:在CB蒸汽中暴露1min；e: 在CB蒸汽中暴露4min）。

图四 ZnO/PCP-Na器件性能

a)不同PCP-Na厚度ZnO/PCP-Na ICLs的透射光谱；

b) ZnO/PCP-Na 器件的二极管特性曲线；

c,d)串联电池前半电池和后半电池的J-V曲线和EQE曲线；

e)72单个体电池 的PCE数据直方图；

f)依据入射光密度的串联有机太阳能电池的PCE。

【小结】

研究者们通过完全优化两电池和ICL的活性层制备得到高度有效地无富勒烯串联有机太阳能电池，设计WBG前半电池、新型SM NF隔膜、ITCC-M用于实现窄吸附谱，具有高的V_oc；通过优化NBG后半电池、阳极缓冲层和活性层的相分离形态可以在近红外区域实现高EQE。通过使用优化厚度的ICL实现电荷收集和复合还有高透光系数，制备得到的串联电池的PCEs在0.02-1sun的光照下可达13%-14%。总体来说，文章中的工作不仅证实了系统的工作可以实现优异的光电结果，还显示出无富勒烯串联有机太阳能电池的超高性能。但是由于最优器件的全部EQE仍不是很高，填充因子FF也只有0.639，因此在其光电性能上未来还有很大地提升空间。

原文链接：Fine-Tuned Photoactive and Interconnection Layers for Achieving over 13% Efficiency in a Fullerene-Free Tandem Organic Solar Cell.( J. Am. Chem. Soc. , 2017, DOI: 10.1021/jacs.7b01493)

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