周二军课题组在降低有机太阳能电池非辐射复合损失方面取得重要进展
发布时间：2020-10-16
近日，纳米系统与多级次制造重点实验室周二军研究员，与北京航空航天大学孙艳明教授，东华大学马在飞教授合作，在降低有机太阳能电池的非辐射复合损失方面取得重要进展。相关研究成果发表在Adv. Mater.上（Adv. Mater. 2020, 32, 2002122），论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202002122。
在过去十年，溶液加工制备本体异质结有机太阳能电池（OSCs）发展迅速，其能量转换效率（PCE）已经超过18%，但是仍落后于硅基和钙钛矿太阳能电池。在决定OSCs效率的三个重要参数：短路电流（JSC），开路电压（VOC）和填充因子（FF）中，JSC和FF已取得了巨大的突破。但相比于钙钛矿太阳能电池，其VOC仍然较低。其主要原因是存在较大的能量损失（一般大于0.6 eV），其中非辐射电压损失是导致OSC性能低于其他类型太阳能电池的主要原因（普遍大于0.2 V）。另外给受体界面形成的电荷转移态（CT态）是产生较高非辐射复合损失的主要原因。
前期工作中，周二军课题组通过材料开发，尤其是苯并三氮唑（BTA）类小分子材料的开发，取得了诸多高VOC的光伏材料组合（VOC=1.02 V, Adv. Energy Mater.2017, 7, 1602229; VOC=1.22 V, ACS Macro Lett. 2017, 6, 410; VOC=1.15 V, Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1704507; VOC=1.18 V, Adv. Energy Mater. 2018, 8, 1801582; VOC=1.24 V, Chem. Mater. 2019, 31, 3941）。为了从分子设计的角度降低非辐射复合损失,实现超高VOC的有机光伏电池，亟需建立材料化学结构和能量损失之间的关系。
近期，我们采用了氯取代和不含氯的两组D-π-A型聚合物给体（PBT1-C/PBDB-T和PBT1-C-2Cl/PBDB-T-2Cl）和自主开发的受体BTA3，来构建有机太阳能电池，系统研究了不同位置氯取代对ΔVnon-rad的影响。所有体系均获得了高于1.70 eV的电荷转移态能量（ECT），单线态（S1）和CT态之间的能量差（ΔECT）降低到~ 0.1 eV。通过氯原子取代噻吩侧链和噻吩π桥的策略，含氯聚合物体系（PBT1-C-2Cl和PBDB-T-2Cl）均实现了高VOC（1.30 V）和高电致发光外量子效率。非辐射复合电压损失降低到0.16 V和0.17 V，是迄今文献报道的溶液处理有机太阳能电池的最低值。这项工作表明，在D-π-A型共轭聚合物的不同位置的氯取代是降低器件ΔVnon-rad的一种简单而有效的策略，对降低OSCs的能量损失及进一步提高器件性能提供了重要的指导意义。
四种材料组合体系的非辐射复合电压损失和EQEEL
该研究得到国家自然科学基金、科技部重点研发计划、中科院人才项目和战略性先导科技专项（B）等项目的支持。