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双聘教授何凤课题组在《ACS Energy Letters》上发表关于三元体系中富勒烯的作用机理的最新研究成果

发布时间:2019-05-09浏览次数:3841

近日,深圳格拉布斯研究院大分子材料中心发表了一项重要研究成果。双聘教授何凤课题组制备了一种高度稳定的高效三元有机太阳能电池,同时仔细研究了合金受体结构对器件性能提升的作用机理。该研究成果发表在化学能源材料领域著名期刊《ACS Energy Letters》上。

PC61BM、COi8DFIC的分子结构以及二元和三元器件在7000小时的稳定性对比图

在限制有机太阳能电池(OSCs)性能的核心因素中,电荷载流子迁移率是最主要的决定因素之一,因为它对控制OSCs性能的激子分离、电荷传输和收集等过程均有影响。PCBMs是公认的具有三维(3D)电子传输性质的高电子迁移率受体。但其较低的光吸限制了相应OSCs器件的性能。为了增强光吸收,近年来开发了大量的非富勒烯受体。然而,与基于富勒烯受体的器件相比,低电荷迁移率阻碍了相应器件PCE的进一步提高。

引入合适的第三组分是一种有效的提高器件效率的方法。对于第三组分作用机理的深入理解是选择合适第三组分的理论基础。一般来说,第三组分的作用原理包括电荷转移、平行电池、能源转移和形成合金给体。何凤课题组提出了一种新的第三组分的工作原理,他们发现非富勒烯COi8DFIC与富勒烯PC61BM可以形成合金受体结构,并从实验上验证了该结构的存在。尤其是DSC(图2)和GIWAXS实验(图3),直接观察到了合金结构的信号峰。众所周知,PC71BM具有较强的光吸收能力,比PC61BM应用范围更广。但是该工作特意选择PC61BM而不是PC71BM。因为PC61BM作为光吸收非常低的第三组分,可以减轻光吸收对短路电流Jsc的影响,这有助于更清楚地解释Jsc的增强以及合金在三元体系中发挥的作用。

PC61BM、COi8DFIC和COi8DFIC/PC61BM (1:0.4, w/w)加热(下)和冷却(上)的DSC图。插入图像是Tg位置的放大图。粉色箭头表示Tg的变化。粉红色的圆圈表示PC61BM与COi8DFIC混合后出现的新的放热峰

(a) PC61BM、(b) PTB7-Th/COi8DFIC (1:1, w/w)、(c) PTB7-Th/COi8DFIC/PC61BM (1:1:0.4, w/w)薄膜的二维GIWAXS图,红色圆圈表示合金中PC61BM的散射点。(d) PTB7-Th/COi8DFIC/PC61BM (1:1:0.4, w/w), 100℃下加热120h

实验表明该合金结构可以提高电子迁移率,弥补非富勒烯受体电子传输慢的短板。该方法结合了强光吸收非富勒烯受体和三维电荷传输富勒烯受体的优点,提高了器件能量转化效率(图4)。将PC61BM加入PTB7-Th/COi8DFIC共混物后,Jsc、FF分别从22.96 mA cm- 2,66.80%提高到27.01 mA cm- 2,73.34%,从而得到了一个高效率的器件,PCE为14.22%。另外,合金结构的存在帮助固化活性层的形貌,使得器件存储寿命得到明显延长(图5)。提高了OSC器件的稳定性。将器件置于手套箱7200小时,约10个月后,相应三元器件的PCE仍可保持在13.2%左右,PCE损失率约5.7%,而二元器件的PCE损失率高达33.3%。

基于PTB7-Th/COi8DFIC和PTB7-Th/COi8DFIC/PC61BM的器件在100mW cm-2光照下的(a) J-V曲线,(b) EQE曲线; (c)单电子器件和(d)单空穴器件的暗态J-V曲线;(e) TPC信号;(f) Jph-Veff曲线


基于PTB7-Th/COi8DFIC和PTB7-Th/COi8DFIC/PC61BM器件的(a) PCE、(b) Voc、(c) Jsc、(d) FF的稳定性曲线

相关成果发表在ACS Energy Letters (ACS Energy Lett., DOI: 10.1021/acsenergylett.9b00534) 上,文章第一作者为南方科技大学博士后赵巧巧博士,南方科技大学深圳格拉布斯研究院和化学系是该项研究的第一通讯单位,何凤副教授为通讯作者,共同通讯作者为国家纳米科学技术中心丁黎明教授,美国Nano-C公司、美国阿贡国家实验室陈伟教授以及华南理工解增旗教授也为本工作的完成提供了重要帮助。

目前,深圳格拉布斯研究院科研平台和科研团队建设正在进一步完善,研究院与化学系及其他兄弟院系也展开了深入的合作,相信研究院未来将涌现更多科研成果。

该研究得到了国家自然科学基金、广东省自然科学基金、深圳市基础研究计划、深圳诺贝尔奖科学家实验室项目等经费的支持。

文章链接:https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/10.1021/acsenergylett.9b00534