李永舫

(中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所，北京100190)

引入液晶小分子實(shí)現(xiàn)高效厚膜三元有機(jī)太陽(yáng)能電池

李永舫

(中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所，北京100190)

有機(jī)聚合物太陽(yáng)能電池因其具有全固態(tài)、光伏材料性質(zhì)可調(diào)范圍寬、可實(shí)現(xiàn)半透明、可制成柔性器件以及可采用卷對(duì)卷印刷工藝大面積、低成本制備等突出優(yōu)點(diǎn)而引起了廣泛關(guān)注并得到了快速發(fā)展1,2。其中三元有機(jī)太陽(yáng)電池作為一種有效提高電池器件效率的辦法也成為有機(jī)聚合物太陽(yáng)能電池研究中的一個(gè)熱點(diǎn)3。

一般情況下，在三元有機(jī)太陽(yáng)能電池中第三組分的引入是為了拓寬器件的吸收光譜來(lái)增加對(duì)太陽(yáng)光的吸收和利用從而提高器件效率。然而，目前報(bào)導(dǎo)的絕大部分三元有機(jī)太陽(yáng)能電池中活性層(吸光層)的厚度都只有100 nm左右。這很大程度上限制了器件短路電流的提高，因?yàn)?00 nm厚的活性層并不能實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)光的有效吸收。此外，未來(lái)卷對(duì)卷大面積印刷的生產(chǎn)方式也要求電池活性層在比較大的厚度范圍下具有較好的性能，而100 nm的厚度遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足卷對(duì)卷大規(guī)模的生產(chǎn)的需要4。為了解決這一問(wèn)題，最近，華南理工大學(xué)發(fā)光材料與器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室黃飛教授課題組

圖1 BTR的化學(xué)結(jié)構(gòu)式、二元和三元太陽(yáng)能電池器件結(jié)構(gòu)示意圖、器件性能曲線(xiàn)和效率隨活性層厚度變化圖

通過(guò)引入液晶小分子(BTR)5的第三組分巧妙地實(shí)現(xiàn)了高效率(11.40%)厚膜的三元有機(jī)太陽(yáng)能電池器件(見(jiàn)圖1)，相關(guān)研究成果發(fā)表在近期的Journal of the American Chem ical Society雜志上6。

該研究通過(guò)在目前比較高效的PTB7-Th: PC71BM體系中引入具有高空穴遷移率的液晶小分子(BTR)第三組分改善了活性層的形貌和大幅度提高了空穴遷移率，從而使得原來(lái)活性層最優(yōu)厚度為100 nm的PTB7-Th:PC71BM體系的最優(yōu)厚度增加到250 nm(見(jiàn)圖1)，并且在采用反向器件結(jié)構(gòu)時(shí)，效率提高到11.40%。他們通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段證明，BTR的引入能減小π－π堆積的距離，增大相干長(zhǎng)度(coherence length)和提高PTB7-Th的相區(qū)純度，從而加快了電荷的傳輸和減小了電荷的雙分子復(fù)合。該研究表明引入高遷移率的液晶小分子作為第三組分是一種實(shí)現(xiàn)高效厚膜三元有機(jī)太陽(yáng)電池的有效途徑，這對(duì)以后發(fā)展高效的適合卷對(duì)卷大規(guī)模生產(chǎn)的有機(jī)光伏材料和器件具有重要的借鑒意義。

(2)Hu,Z.;Ying,L.;Huang,F.;Cao,Y.Sci.China Chem.2017,doi: 10.1007/s11426-016-0424-9

(3)Ameri,T.;Khoram,P.;M in,J.;Brabec,C.J.Adv.Mater.2013, 25,4245.doi:10.1002/adma.201300623

(4)Duan,C.;Huang,F.;Cao,Y.Polymer Chem.2015,6,8081.doi: 10.1039/C5PY 01340B

(5)Sun,K.;Xiao,Z.;Lu,S.;Zajaczkowski,W.;Pisula,W.;Hanssen, E.;W hite,J.M.;W illiamson,R.M.;Subbiah,J.;Ouyang,J.; Holmes,A.B.;Wong,W.W.;Jones,D.J.Nat.Commun.2015,6, 6013.doi:10.1038/ncomms7013

(6)Zhang,G.;Zhang,K.;Yin,Q.;Jiang,X.F.;Wang,Z.;Xin,J.; Ma,W.;Yan,H.;Huang,F.;Cao,Y.J.Am.Chem.Soc.2017,139, 2387.doi:10.1021/jacs.6b11991

Realizing High-Performance Ternary Organic Solar Cell with Thick Active Layer by Incorporating a Liquid Crystalline SmallMolecule Third Component

LIYong-Fang
(Institute ofChemistry,Chinese Academy ofSciences,Beijing 100190,P.R.China)

hang,Z.G.;Li,Y.Sci.China Chem.2015,58,192.

10.1007/s11426-014-5260-2

doi:10.3866/PKU.WHXB201702132

www.whxb.pku.edu.cn