葛子义Adv. Mater.｜刚性16.67％和柔性14.06％三元有机太阳能电池

【引言】

近年来，有机太阳能电池（OSCs）因为其低成本、轻质量以及在柔性及便携式设备中具有广大的应用前景而受到研究人员的关注。目前基于二元本体异质结OSCs的效率取得了很大的进步，但是其效率相比于钙钛矿和硅基太阳能电池还没有突出的优势。三元共混策略可以进一步提高OSCs的效率。

【成果简介】

近日，中国科学院宁波材料技术与工程研究所研究员葛子义团队在前期高效率有机太阳能电池的研究基础上（Nature Photonics, 2015, 9, 520; Advanced Materials,2018, 30, 1703005; Advanced Materials, 2018, 30, 1800075），在高效OSCs领域又取得新进展，通过三元共混策略获得单结刚性16.67%（认证效率16.0%）和柔性14.06%的高效率。通过在宽带隙给体聚合物PM6和窄带隙受体Y6中引入PC71BM受体，调控三元共混膜的光谱吸收和形貌。研究发现，当PC71BM掺杂低于30%，Y6与第三组分很难形成级联结构，对电池的电压影响很小，但是两受体之间存在能量转移，并且第三组分的引入很好的调控了薄膜的形貌，使得三元共混薄膜能够形成很强的π-π堆积，显著提高了OSCs的填充因子，最终获得16.67%的高效率，这是迄今报道单结OSCs的最高效率。同时，在基于PEDOT:PSS(PH1000)/PET的柔性透明电极制备的无ITO的器件效率达14.06%。

【图文导读】

图1 (a) PM6, Y6, PC71BM的化学结构式; (b) PM6, Y6, PC71BM的薄膜紫外吸收光谱; (c) 基于PM6:Y6:PC71BM添加不同比例PC71BM的三元混合膜的紫外吸收光谱; (d) PM6, Y6, PC71BM的能级。

图2 基于PM6:Y6:PC71BM添加不同比例PC71BM的 (a) J-V 曲线 和 (b) EQE 光谱

图3 基于PM6:Y6:PC71BM添加不同比例PC71BM的(a) Voc变化曲线; (b) Jph-Veff 曲线; (c) Jsc-Plight 拟合曲线; (d) Voc-Plight 拟合曲线

图4 基于PM6:Y6:PC71BM添加不同比例PC71BM的GIWAXS 图 (a)1:1.2:0; (b)1:1:0.2; (c) 1:0:1.2; (d) 沿面内（虚线）和面外（实线）方向的GIWAXS强度曲线; AFM 形貌(2 cm×2 cm) (e)掺杂比 1:1.2:0; 和(f) 1:1:0.2.

图5 1：1：0.2掺杂下柔性器件的(a)结构; (b) J-V 曲线; (b) EQE 光谱; (d)不同弯曲半径(10, 5, 2mm)的弯曲性能。

【小结】

研究者通过三元共混策略将PC71BM引入基于PM6:Y6的二元体系中，制备的三元刚性和柔性的OSCs的效率分别为16.67%和14.06%，均为目前所报道的单结最高效率。与基于PM6:Y6的二元器件相比，PC71BM的引入提高了器件的电流密度和填充因子，将效率从15.75%提高到16.67%。电流密度的增加可归因于光的互补吸收以及可以形成更好的异质结形貌。Jph-Veff和光强依赖性表征也说明了PC71BM的引入可以为电荷解离和提取提供更多的通道。此外，我们在PET基板上制备了效率超过14％柔性无ITO的OSCs，具有极好的机械柔韧性。该项工作表明，合理构建三元共混器件是制备高效率刚性和柔性OSCs的有效方法。

该工作以“16.67% Rigid and 14.06% Flexible Organic Solar Cells Enabled by Ternary Heterojunction Strategy”为题发表在国际期刊《先进材料》（Advanced Materials）上。葛子义研究员和彭瑞祥副研究员为该论文的共同通讯作者，硕士研究生严婷婷和硕士研究生宋伟为共同第一作者。感谢魏志祥教授对GIWAXS表征提供的帮助。