近日，北理工王金亮教授團隊在構筑高效三元有機太陽能電池方面取得進展，相關研究成果發表于國際材料領域著名學術期刊《Advanced Functional Materials》上，題為“Isogenous Asymmetric-Symmetric Acceptors Enable Efficient Ternary Organic Solar Cells with Thin and 300 nm Thick Active Layers Simultaneously”。化學與化工學院博士研究生白海瑞為論文第一作者，王金亮教授、安橋石特別研究員以及Han Young Woo教授（韓國高麗大學）為通訊作者，北京理工大學為第一通訊單位。論文的合作者還包括北京工商大學李熊教授。

 

       環境污染和能源危機是當今世界面臨的兩大難題，開發與利用高效率清潔能源是國家能源戰略中亟需解決的重大科學問題。有機太陽能電池以其高靈活性、半透明、多彩、重量輕以及低成本商業化制造等優勢成為最有前景的光電轉換技術之一。有機太陽能電池的性能主要取決于活性層光吸收、激子離解、電荷傳輸和收集能力等。因此，十分有必要從多角度出發，研發各種策略來提高器件性能。基于此類科學問題，王金亮教授與安橋石特別研究員團隊聯合國內外課題組，通過將合成有機新材料與器件制備相結合，開發了多種高效率的有機給/受體材料和高性能器件。在“BIT”系列小分子給體材料（ Adv. Funct. Mater. 2015,  25 , 3514（ESI高被引論文）;  J. Am. Chem. Soc. 2016,  138 , 7687（ESI高被引論文）;  Adv. Funct. Mater. 2016,  26 , 1803（ESI高被引論文）;  Joule , 2019,  3 , 846（ESI高被引論文）等）、含硒吩類與鹵素調控給/受體材料（ ACS Energy Lett. , 2018,  3 , 2967;  ChemSusChem 2021,  14 , 4454;  Angew. Chem. Int. Ed. 2021,  60 , 19241 （ESI高被引論文）;  Adv. Funct. Mater. 2022,  32 , 2108289;  Energy Environ. Sci. , 2022,  15 , 320等）、高效全小分子器件（ Energy Environ. Sci. 2021,  14 , 3945（ESI高被引論文）;  ACS Energy Lett. 2021,  6 , 2898等）以及機器學習輔助有機太陽能電池研究（ Energy Environ. Sci. 2021,  14 , 90（ESI高被引論文））等方面取得了一系列研究進展。

 

       三元策略是一種有效提高有機太陽能電池效率的方法，其已成為該領域的研究熱點。此外，三元策略在緩解器件效率對活性層厚度敏感方面展現出巨大潛力。活性層厚度的增加會導致載流子遷移率降低與失衡，空間電荷堆積以及復合增加。隨著活性層厚度的增加，器件效率急劇下降，這是有機太陽能電池大規模應用亟待解決的關鍵問題。在二元體系中引入適當的第三組分能夠有效增強有源層的光子俘獲，優化能級和能量/電荷轉移的路徑，進而提升電荷的生成及收集效率。因此，如何甄選第三組分是構筑高效率且膜厚不敏感有機太陽能電池的核心問題。

圖1. 相關分子結構與基本性質

 

       考慮到同源衍生物具有相似的分子結構和良好的兼容性，通過使用同構型小分子Y6-1O和Y7-BO作為受體，明星聚合物PM6作為給體來制備高性能三元器件。Y6-1O與Y7-BO具有類似的“BTP”稠環分子骨架，使得兩個受體之間具有極好的兼容性，從而有利于精細調控三元共混物的形貌以獲得優化的短路電流密度和填充因子。另一方面，不同的鹵素取代端基和兩個受體中不同的不對稱或對稱核心單元能夠提供互補的吸收和可調節的能級，這有助于在短路電流密度與開路電壓之間獲得良好的平衡。

圖2. 器件的光伏性能

 

       研究結果顯示，當Y6-1O在受體中的含量為10 wt%時，三元器件最優效率達到18.11%，填充因子為79.27%。當器件的活性層厚度增加到300 nm或400 nm時，三元器件仍能保持16.61%或15.71%效率，均為目前已報道同厚度器件效率的最高值。三元器件效率的提升主要歸因于更高效的電荷生成和提取過程，其得益于光子捕獲的增加、能級及形貌的優化。該工作結果表明，將同源非富勒烯受體Y6-1O和Y7-BO相結合是同時實現高效薄膜和厚膜三元有機太陽能電池的一種有效策略。

圖3. 活性層形貌研究

 

       上述研究工作得到了國家自然科學基金項目、國家海外高層次人才青年項目、北京理工大學特立青年學者計劃等項目以及北京市光電轉換材料重點實驗室的支持。北京理工大學分析測試中心為材料及器件表征提供了支持。

 

       文章全文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adfm.202200807