Nano Energy：三元小分子太阳能电池功率转换效率达到10.3％

【背景介绍】

小分子材料由于具有明确的分子结构，易于纯化和形态稳定等优点已经引起了人们的高度关注，其在制造高效溶液处理的有机太阳能电池的应用有着巨大潜力。

【成果简介】

近日，北京交通大学张福俊教授和桂林电子滚球体育 大学张坚教授及国家纳米中心的刘新风研究员（共同通讯）等人在二元SMSCs基础上进行优化，选择小分子DIB-SQ作为制备三元SMSCs的第三组分。在给体中具有6wt％DIB-SQ的三元SMSCs获得了10.3％的功率转换效率。由于短电流密度（J_SC）明显增加到15.44mA/cm²，填充因子（FF）增加到73.8％，PCE达到了10％左右。DIB-SQ的主要贡献可以概括为在长波长范围内增强光子收集和优化相分离。并报道了利用截止滤光片择光的方法，研究了三元体系中载流子输运的动力学过程，相关内容以题为“Ternary Small Molecule Solar Cells Exhibiting Power Conversion Efficiency of 10.3%”发表在了Nano Energy上。本文的第一作者为张苗博士和王健博士。

【图文导读】

图1 材料的器件结构和分子结构示意图及吸收光谱

（a）参考太阳光辐射光谱，纯DIB-SQ膜和混合物BTR：PC₇₁BM膜的吸收光谱

（b）材料的器件结构和分子结构示意图

图2 SMSCs的J-V特性等分析

（a）所有SMSCs的J-V特性

（b）参考SMSCs和优化的三元SMSCs的PCE计数的统计直方图，拟合曲线表示PCE正态分布

（c）所有SMSCs的EQE光谱

（d）具有不同DIB-SQ含量的共混膜的吸收光谱

图3 TRPL光、PL光谱分析

（a）通过监测700nm光发射的BTR，DIB-SQ膜和具有6wt％或15wt％DIB-SQ的BTR: DIB-SQ共混膜的TRPL光谱

（b）DIB-SQ薄膜的吸收光谱和纯BTR薄膜的PL光谱

（c）在580nm光激发下，BTR膜、DIB-SQ膜和具有不同DIB-SQ含量的共混膜BTR：DIB-SQ的PL光谱

（d）在550nm光激发下，BTR，DIB-SQ溶液和具有不同DIB-SQ体积比的共混物BTR：DIB-SQ溶液的PL光谱

图4 三元共混膜

参考BTR的（a）OOP和（b）的IP线切割：PC₇₁BM膜和具有6wt％或15wt％DIB-SQ的三元共混膜

图5 具有不同DIB-SQ含量共混膜的TEM图像

图6 在暗处的（d³/V²） - （V/d）^0.5特性

分别具有0wt％，6wt％，9wt％和100wt％DIB-SQ的（a）仅孔和（b）仅电子器件装置在暗处的（d³/V²） - （V/d）^0.5特性

图7 J-V特性曲线等分析

（a）参考SMSCs的J-V特性曲线

（b）使用一组中性滤光器在100mW / cm²照明下获得的不同光强度的优化三元SMSCs

（c）J_SC和V_OC对SMSCs和优化的三元SMSCs光强度的依赖性

（d）所有SMSCs的J_ph-V_eff特性曲线

图8 三元活性层示意图

（a）三元活性层示意图

（b）使用材料的能级

图9 二元和三元SMSC在670 nm截止滤光片覆盖下的J-V曲线及EQE光谱分析

（a）在标准光源下用670nm截止滤光片覆盖的二元和三元SMSCs的J-V曲线

（b）用670 nm截止滤光片覆盖的所有SMSCs的相应EQE光谱，插图是截止滤光片的透射光谱

图10 瞬态吸收光谱（TAS）

（a）供体中二元BTR：PC₇₁BM，（b）DIB-SQ：PC₇₁BM和（c）具有15wt％ DIB-SQ的三元BTR：DIB-SQ：PC₇₁BM混合膜瞬时吸收光谱（TAS）

（d)二元BTR：PC₇₁BM共混膜和具有15wt％ DIB-SQ的三元BTR：DIB-SQ：PC₇₁BM混合膜在供体中的瞬态吸收动力学分析

图11 三元SMSCs的稳定性分析

条件分别为没有任何封装存储在空气中，高纯N₂填充的手套式操作箱在有/无80°C连续加热

【总结】

众所周知，形态优化对于获得高效的SMSCs是很大的挑战。本研究成果将基于BTR为给体的小分子太阳能电池(SMSCs)的功率转换效率提高到了10.3%，证明三元策略是提高小分子太阳能电池(SMSCs)性能的有效方法。

文献链接：Ternary Small Molecule Solar Cells Exhibiting Power Conversion Efficiency of 10.3%（Nano Energy,2017,DOI:10.1016/j.nanoen.2017.07.044）

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