彭强课题组Adv.Mater :基于P3HT的非富勒烯有机太阳能电池光电转换效率突破8.25%

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有机太阳能电池具有低成本、重量轻、可大规模溶液制备成柔性器件等突出优点，备受学术界和工业界的广泛关注。特别是近年来兴起的非富勒烯受体材料突破了传统富勒烯材料吸收弱、能级不易调控、形貌稳定性差等不足，使得聚合物有机太阳能电池的光电转换效率显著提升，未来前景广阔。然而,就实际应用而言，有机半导体材料的量产成本是不可忽视的重要因素。目前的聚合物给体材料普遍存在着合成与提纯工艺复杂、批次差异严重等问题，并且常常涉及到高毒性中间体的使用。于此同时，器件制备过程中也普遍采用了对环境和人体有害的含卤溶剂。此外，各种复杂的后处理工艺也使得工业化面临巨大挑战。相比较而言，聚三己基噻吩（P3HT）是目前制备成本最低、最容易工业化的聚合物材料。该聚合物目前工业上已经可以实现单次10kg级的量产，且批次差异较小。就这一点而言，开发基于P3HT的高效率有机太阳能电池非常具有现实意义。目前文献报道的基于P3HT的有机太阳能电池（单层）最高光电转换效率只有7.4%，与现在最高效率的有机太阳能电池相差甚远。P3HT的前线轨道能级较高，其器件的开路电压（Voc）往往较低，是限制其光电转换效率进一步提高的一个重要因素。设计合成具有合适能级匹配和吸收互补的非富勒烯受体材料，提高其开路电压和断路电流密度（Jsc）至关重要。在器件工艺上，P3HT器件的制备基本都采用了含卤溶剂和热退火工艺来优化其活性层相分离形貌。如何规避上述工艺使用的同时，获得理想的相分离形貌是工业化面临的难点。

非富勒烯有机太阳能电池

四川大学彭强课题组针对上述问题开发了全新的小分子受体材料，并采用简单的绿色溶剂老化工艺，刷新了P3HT的光电转换效率记录，高达8.25%。该团队设计合成了能够与P3HT形成较好的吸收互补和能级匹配的非富勒烯受体材料TrBTIC。该小分子以以三聚茚（truxene）为核心，苯并噻二唑（benzotiadiazole）-氰基茚满二酮（2-(3-oxo-2,3-dihydroinden-1-ylidene)malononitrile）缺电基团作为端基。TrBTIC与P3HT能够在300-700nm范围内实现较好的吸收互补，并且其能级（HOMO/LUMO=-5.56/-3.62 eV）与P3HT（HOMO/LUMO=-5.0/-3.1 eV）形成较好的匹配。所制备的有机太阳能电池开路电压高达0.88 V。在采用1,2,4-三甲苯做溶剂时，P3HT能够在热溶液（60 oC）中较好地溶解，当溶液温度降至室温时，P3HT则会随着溶液老化时间的增加缓慢聚集。通过控制活性层制备前的溶液老化时间，可以有效地调控活性层的相分离大小。当溶液老花时间为40 min时，活性层获得了最理想的相分离形貌。光电转换效率从7.60%显著提升至8.25%。进一步延长老化时间，活性层因相分离进一步增大，不利于激子解离，导致器件效率降低。该方法对有机太阳能电池活性层形貌优化和光电转换效率提升具有较好的指导意义。相关论文在线发表在Advanced Materials（DOI: 10.1002/adma.201906045）上。


非富勒烯受体具有一些独特的优势：1）带隙可调节空间大2）光吸收边可扩展到近红外区3）能级可调性强4）可获得高的开路电压5）分子的平面性和结晶性可调。这些要素都可以调控活性层的共混形貌以及提高器件的稳定性。下图为不同宽带的非富勒烯受体分子结构。与基于富勒烯受体的太阳能电池相比，非富勒烯型太阳能电池具有许多优势：1）能带间隙可调度高（通常是1.2-2.2 eV），既可以将光吸收红移至近红外区，又可以蓝移至蓝光区。鉴于此，高性能的非富勒烯型太阳能电池可以使给体和非富勒烯受体进行互补吸收。此外，还可以采用带隙匹配的前置和后置电池，制备高性能的叠层非富勒烯太阳能电池；2）能量补偿低（~0.1 eV），电荷分离效率高；3）开路电压损失小（~0.5–0.6 V），非富勒烯受体能够显著减少辐射与非辐射复合，大幅降低开路电压损失；4）非富勒烯受体分子可以自由调整平面度和结晶度，有效控制活性层的共混薄膜形貌，从而提高器件稳定性。

彭强，四川大学教授，博士生导师。先后入选国家杰出青年基金，教育部新世纪优秀人才支持计划，四川省##计划，四川省学术和技术带头人，四川省杰出青年基金。研究领域涉及有机聚合物太阳能电池、电致发光和碳纳米材料与器件。近年来在Energy Eviron. Sci., Adv. Mater., Adv. Energy Mater., J. Am. Chem. Soc., Adv. Funct. Mater., Nano Energy, ACS nano等国内外期刊上发表学术论文140余篇，SCI收录120余篇，IF大于10.0的有30篇，多篇入选ESI高被引论文和ESI热点论文， 多篇入选发表期刊的热点论文或封面论文，多篇被Material Views China等亮点介绍。撰写学术专著2章节，申请中国发明专利18项(已授权10项)。主持或者参与科技部重大研究计划、国家自然科学基金、科技部国际合作项目、教育部新世纪优秀人才支持计划项目等30多项国家和省部级科研课题。2009年获江西省高等学校科技成果二等奖(排名第1)，2010年获江西省自然科学奖二等奖（排名第1）。