摘要
中国科学院国家纳米中心周二军团队报道了一类通过四氢呋喃进行处理的高开路电压有机太阳能电池。根据“同种受体单元策略”，设计了四种基于苯并三氮唑（BTA）的p型聚合物（PE31、PE32、PE33和J52-Cl）和基于BTA的小分子BTA5，分别用作p型和n型材料，基于四种材料共混的单结OSC具有1.10 V以上的高开路电压。 前言 近年来，非富勒烯受体(NFAs)的快速发展极大地提高了有机太阳能电池（OSC）的性能，最佳单节OSC的PCE可达18%以上。虽然在这些高效OSC中短路电流密度（Jsc）和填充因子（FF）有了明显的改善，但是开路电压（Voc）普遍偏低，通常在0.8−0.9 V。应该注意的是，提高Voc值不仅有利于提升PCE接近Shockley−Queisser极限理论值（33%），也有利于更好地研究能量损失。此外，高Voc值器件还可以应用于微光条件下的室内应用和串联OSC中的前节电池。 研究内容 在这项工作中，研究人员通过改变BTA单元上的取代基合成了4种BTA基D-π-A型聚合物给体PE31，PE32，PE33，J52-Cl，与基于BTA的受体BTA5，组合构建了“同种受体单元策略”（图1）。 图1 .PE31,PE32,PE33,J52-Cl,BTA5的分子结构 图2.（a）PE31,PE32,PE33,J52-Cl, BTA5的吸收谱图 (b) PE31,PE32,PE33,J52-Cl,BTA5的能级排列 如表1所示，把F或Cl原子引入BTA显著提高了器件的Voc，使OSC的Voc由1.11 V分别增加到1.21 V和1.16 V，这主要归因于HOMO能级的降低。然而，基于PE31、PE32、PE33和J52-Cl的的四种器件Jsc值较低，分别为13.68，11.65、12.68、11.36 mA/cm2。Jsc值的降低可能与这些器件中增加的双分子重组有关。特别的是，基于PE32的OSC的Jsc和FF值均较低，为11.65% mA/cm2和57.73%，PCE最低，为7.40%。对于无取代基的给体材料PE31显示出最高的PCE（10.08%），归因于更平衡的Voc、Jsc，FF。 表1. 最佳的PE31/PE32/PE33/J52-Cl:BTA5器件的光伏参数 图3 (a）纯给体和受体的归一化PL光谱（b）纯BTA5在600nm激发和共混膜在460nm激发的相对荧光光谱；（c）纯BTA5和共混膜在600nm激发下的相对荧光光谱 如图3所示，基于PE31/PE32/PE33/J52-Cl给体与BTA5受体的混合膜的荧光淬灭率分别为97%、96%、92%和74.6%。受体材料较高的荧光淬灭率表明了从n型到p型材料的有效的空穴传输。因此基于PE31：BTA5器件的最高Jsc值可归因于其最为高效的空穴传输，而J52-Cl：BTA5的最低Jsc值是由于低效的空穴传输。这些结果表明，Voc的增加部分是以电荷的产生为代价的。因此，平衡Voc和Jsc之间的关系非常重要。 图4 .PE31/PE32/PE33/J52-Cl与BTA5混合膜的AFM高度相图 如图4所示，混合膜形态的较强的聚集态可以解释PE33：BTA5器件中较低的FF和Jsc值，它形成了较大的域尺寸，减小了给体和受体材料之间的界面，从而提高了电荷复合的概率。 总之，通过非卤化溶剂处理，在BTA单元上无取代基的PE31表现出最高的PCE为10.08%，Voc为1.11 V，具有较高的开路电压。此外，非取代基BTA聚合物由于合成工艺简单，生产成本低，具有很大的商业化潜力。 相关研究成果以“Fabrication of High Voc Organic Solar Cells with a Non-Halogenated Solvent and the Effect of Substituted Groups for “Same-A-Strategy” Material Combinations”为题发表在ACS Applied Materials & Interfaces期刊。 原文链接：https://doi.org/10.1021/acsami.1c03757 免责声明：部分资料来源于网络，我们的目的在于传递分享更多信息，并不意味着赞同其观点或证实其真实性，也不构成其他建议。仅提供交流平台，不为其版权负责。如涉及侵权，请私信我们及时修改或删除。
