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    苏州大学《EES》13.9%!最高效全小分子有机太阳能

    发布时间:2020-06-20 18:26编辑:来源:机械配件点击:1297

      苏州大学李永舫课题组合理设计了一种新型的宽带隙给体小分子材料,基于此的器件表现出13.9%的目前最高效率之一,且非辐射复合损耗非常小,为有机太阳能电池材料的设计提供了另一种思路。

      基于共轭聚合物或小分子的电子给体与小分子受体,组成的给受体本体异质结溶液制备法的有机太阳能电池被广泛研究。最近由p型共轭聚合物给体与n型非富勒烯小分子受体而成的有机太阳能电池功率转换效率突破了16%,具有光明前程。但是由于聚合物的批次差异问题,不可避免的会导致器件的重复性较差。

      基于这一问题,研究者提出采用p,n给受体共小分子的方法,此法机油易于提纯,化学结构明确,分子量固定,更易控制能级的优势,但是这一方法研究人员还是过少,导致了这一方向的进展落后于现在主流的有机太阳能电池。苏州大学李永舫院士团队组合理设计了一种新型的宽带隙给体小分子材料BTTzR,基于BTTzR与Y6小分子受体的器件表现出13.9%的高效率,且非辐射复合损耗非常小,仅为0.18 eV,文章以题目’ A novel wide-bandgap small molecule donor for high efficiency all-small-molecule organic solar cellswith small non-radiative energy losses’发表在EES上。

      要想寻找突破点,找到相匹配的给受体至关重要,需要满足的条件(1):有互补的吸收光谱收集更多的光以获得高短路电流密度(JSC);(2):给受体的能级需要匹配合适,以确保有效的电荷分离,最大程度的提高电压;(3):共混物溶液制备的薄膜需要有合适的相分离与适当的结晶性,来平衡激子分离与电荷传输。

      研究团队通过利用BDT-T核以及TTz单元这个出色的缺电子材料制备(A1-A2-D-A2-A1)型小分子给体BTTzR,预计有匹配的能级与Y6有互补吸收光谱。并具备高结晶度和有序的分子堆叠型,在主流的卤化溶剂如氯仿氯苯中溶解性良好。在与Y6小分子制备的器件在溶剂退火后获得了0.88V开路电压,23.2mA/cm-2的短路电流,0.68的填充因子,得到13.9%最优效率的全小分子器件。

      文章亮点为确定开路电压以及能量损失,利用高灵敏外量子效率(SEQE)和电致发光(EL)方法通过Markus理论来拟合曲线得到CT态转移的能量损耗,电致发光外量子效率(EQEEL)来得出非辐射复合。

      图2.(a)基于不同时间溶剂蒸汽退火(SVA)下的BTTzR:Y6的J-V曲线图 (b)基于SVA后BTTzR:Y6的20个器件的光电转换效率(PCE)计数直方图 (c)基于SVA后的BTTzR:Y6器件的EQE曲线。

      图3.(a)高灵敏EQE和电致发光图谱(b).电致发光外量子效率(EQEEL)(c)本工作中器件与其他代表性体系的非辐射复合损失比较(d)总结的近年来效率超过8%的器件的PCE分布图。

      图4.(a)2D-Giwaxs模式下纯膜图(b)1D面内方向散射曲线(c)1D面外方向散射曲线(d)混合膜的R-SoXS轮廓

      总结,研究者设计新型A1-A2-D-A2-A1型有机小分子给体BTTzR,基于BDT-T,TTz以及两个噻吩单元作为电子缺陷单元,TR作为电子给体设计。在400-650nm波长范围内有强吸收峰,1.88 eV的宽光学带隙,制备了目前效率最高的小分子材料器件,并具有非常小的非辐射复合,为有机太阳能电池材料的设计提供了另一种思路。




      有机太阳能电池材料