有機(jī)太陽能電池中實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)化的核心是由電子給體、受體材料組成的二元共混薄膜，但是受限于有機(jī)光伏材料“窄吸收”特性，二元共混薄膜難以實現(xiàn)對太陽能的寬光譜利用，并且始終存在共混（利于激子解離）和相分離（利于電荷傳輸）這對基礎(chǔ)性矛盾，從而限制了有機(jī)光伏器件效率的進(jìn)一步突破。

研究人員發(fā)展了疊層電池和三元電池技術(shù)。有機(jī)疊層太陽能電池通過串聯(lián)吸收光譜互補(bǔ)的子電池來拓寬太陽光吸收，減少有機(jī)太陽能電池?zé)釗p耗偏高的問題。然而疊層電池制備工藝復(fù)雜，不利于未來有機(jī)太陽能電池的低成本產(chǎn)業(yè)化。三元有機(jī)太陽能電池保持了單節(jié)電池結(jié)構(gòu)，在二元活性層中引入吸收互補(bǔ)的第三組分，拓寬光譜吸收。然而，盡管三元電池取得了一定成功，但仍面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。公認(rèn)的核心問題是對三元共混薄膜難以實現(xiàn)清晰、有效的形貌控制，以保證同時實現(xiàn)高效的激子解離和電荷傳輸，因此，已報道三元電池性能提升幅度普遍偏低。

2015年以來，中國科學(xué)院化學(xué)研究所朱曉張研究員（點擊查看介紹）課題組基于A-Q-D-Q-A分子設(shè)計新理念發(fā)展了系列高性能噻吩并[3,4-b]噻吩 [1]類光伏給受體新材料 [2-4]。近日，他們聯(lián)合上海交通大學(xué)劉烽特聘研究員（點擊查看介紹）和瑞典Linkoping Univerity（林雪平大學(xué)）張鳳玲教授（點擊查看介紹）課題組在三元有機(jī)太陽能電池活性層形貌控制方面取得突破性進(jìn)展。他們基于課題組前期發(fā)展的小分子電子受體材料NITI，合理選擇二元體系，構(gòu)筑了具有“分級結(jié)構(gòu)”（hierarchical） 的三元活性層形貌，實現(xiàn)了光電轉(zhuǎn)化效率的大幅提升，闡釋了形貌對光電過程和器件參數(shù)的決定性影響。相關(guān)論文發(fā)表在 Nature Energy 雜志上，朱曉張研究員課題組博士研究生周子春和助理研究員許勝杰為共同第一作者。

三元共混薄膜分別選取了強(qiáng)結(jié)晶、寬帶隙電子給體材料BTR，弱結(jié)晶、窄帶隙電子受體材料NITI，以及具有自聚集和優(yōu)異電子傳輸特性的富勒烯受體PC71BM，三者形成了梯度電子結(jié)構(gòu)和互補(bǔ)光吸收。經(jīng)器件優(yōu)化制備，上述三元器件在300 nm理想膜厚下取得最高13.63%（平均 13.20%）光電轉(zhuǎn)換效率，相對于對應(yīng)的二元器件性能提升幅度高達(dá)51%和100%。這不僅是全小分子太陽能電池光電轉(zhuǎn)化效率的最高性能記錄，也是性能最優(yōu)的厚膜（>200 nm）有機(jī)太陽能電池。

通過掠入射X射線衍射（GIWAXS）、明場（BF）和高角環(huán)形暗場（HAADF）STEM電鏡、共振軟光X射線散射（RSoXS）技術(shù)探測活性層微觀形貌，結(jié)合熒光光譜（PL）和電致發(fā)光光譜（EL）提出“分級結(jié)構(gòu)”的三元活性層新形貌：NITI和BTR高度共混，形成有利于電荷分離的小相分離精細(xì)結(jié)構(gòu)，PC71BM在BTR和NITI共混區(qū)外圍形成大尺度的相分離結(jié)構(gòu)和有利的face-on堆積。研究者證明NITI受體在光電過程中發(fā)揮了重要作用，它限制了BTR和PC71BM的直接接觸，使得三元器件獲得了和二元器件（BTR:NITI）相當(dāng)?shù)牡烷_路電壓損失；被NITI擠出的PC71BM在活性層中形成了連續(xù)的電子傳輸高速通路，將NITI分離的電子有效輸運至收集電極，從而同時保證了高的外量子效率（EQE）和填充因子（FF）。該工作設(shè)計并證實了三元有機(jī)電池活性層新形貌，充分發(fā)揮了D-A型小分子和富勒烯電子受體在有機(jī)太陽能電池中的獨特優(yōu)勢，同時實現(xiàn)了高開路電壓、高電流和高填充因子，為有機(jī)三元電池活性層形貌調(diào)控提供了新思路。

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來源：x-mol 網(wǎng)