有机太阳能电池获得超过13%的能量转换效率

魏志祥



有机太阳能电池获得超过13%的能量转换效率

魏志祥

(国家纳米科学中心，北京 100190)

有机太阳能电池(简称OSCs)是一种新型的光伏器件，可以通过低成本的溶液加工方法制备大面的柔性器件，得到了国内外学术界和工业界的广泛关注1{姚惠峰, 2016 #5868}。有机光活性材料(包括电子给体和电子受体)的设计与应用是提高OSCs能量转换效率(简称PCE)的重要途径。富勒烯衍生物在以往的研究中是应用最为广泛的电子受体材料，经过多年的发展，以聚合物和小分子作为电子给体的OSCs都取得了11%以上的PCE2,3。然而，鉴于富勒烯类受体材料可见光区吸收较弱、分子能级调制困难以及相应电池器件能量损失大等缺点，其效率的进一步提升面临着较大的挑战。最近几年，非富勒烯类受体材料的设计和应用取得了较大的进展，基于此OSCs已经取得了赶超富勒烯型OSCs的PCE。例如，2015年，占肖卫等4率先报道了非富勒烯受体材料ITIC，采用PTB7-Th作为给体材料，取得了7.52%的PCE；侯剑辉等5采用自主设计的聚合物给体材料PBDB-T与ITIC率先制备了PCE超过11%的非富勒烯型OSCs，表明非富勒烯型OSCs具有广阔的发展前景。如何通过光活性材料的分子设计，进一步提高富勒烯型OSCs的PCE具有十分重要的意义。

最近，中国科学院化学研究所侯剑辉研究员和姚惠峰等人通过对非富勒烯型OSCs中给受体材料的协同优化，实现了电池效率的突破，相关结果发表在上6。在该工作中，他们将氟原子分别引入到给体材料PBDB-T和受体材料ITIC上，设计合成了新的给受体材料PBDB-T-SF和IT-4F。结果表明，氟化的给受体材料分子能级(HOMO和LUMO)同时降低，因此并没有损失电池器件的开路电压；值得注意的是，修饰后给受体材料的吸收系数有明显的增强，并且IT-4F的吸收光谱比ITIC有17 nm的红移，宽而强的光吸收性能使电池的短路电流密度提升至20.50 mA∙cm–2，并最终取得了13.1%的PCE。该结果得到中国计量科学研究院的验证，是目前报道OSCs的最高验证效率。此外，他们发现在光活性层厚度为100–200 nm之间，OSCs都可以获得12%以上的效率；另外，在1700 h的氮气气氛存储后，电池仍可以接近12%的PCE。

这一研究成果表明光活性材料的分子设计与优化对于提升非富勒烯型OSCs的PCE具有重要的意义，同时也证明了非富勒烯OSCs的性能具有广阔的提升空间，在未来的产业化制备中具有巨大的潜力。

(1) Yao, H. F.; Hou, J. H.. 2016,, 1468. [姚惠峰, 侯剑辉. 高分子学报, 2016,, 1468.] doi: 10.11777/j.issn1000-3304.2016.16216

(2) Deng, D.; Zhang, Y.; Zhang, J.; Wang, Z.; Zhu, L.; Fang, J.; Xia, B.; Wang, Z.; Lu, K.; Ma, W.; Wei, Z.2016,, 13740. doi: 10.1038/ncomms13740

(3) Zhao, J.; Li, Y.; Yang, G.; Jiang, K.; Lin, H.; Ade, H.; Ma, W.; Yan, H.2016,, 15027. doi: 10.1038/nenergy.2015.27

(4) Lin, Y.; Wang, J.; Zhang, Z. G.; Bai, H.; Li, Y.; Zhu, D.; Zhan, X.2015,, 1170. doi: 10.1002/adma.201404317

(5) Zhao, W.; Qian, D.; Zhang, S.; Li, S.; Inganas, O.; Gao, F.; Hou, J.2016,, 4734. doi: 10.1002/adma.201600281

(6) Zhao, W.; Li, S.; Yao, H.; Zhang, S.; Zhang, Y.; Yang, B.; Hou, J.2017, doi: 10.1021/jacs.7b02677

Achieving over 13% Power Conversion Efficiency in Organic Solar Cells

WEI Zhixiang

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10.3866/PKU.WHXB201706141