引入液晶小分子實現高效厚膜三元有機太陽能電池

李永舫

(中國科學院化學研究所，北京100190)

引入液晶小分子實現高效厚膜三元有機太陽能電池

李永舫

(中國科學院化學研究所，北京100190)

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

一般情況下，在三元有機太陽能電池中第三組分的引入是為了拓寬器件的吸收光譜來增加對太陽光的吸收和利用從而提高器件效率。然而，目前報導的絕大部分三元有機太陽能電池中活性層(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，因為100 nm厚的活性層并不能實現對太陽光的有效吸收。此外，未來卷對卷大面積印刷的生產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的厚度遠不能滿足卷對卷大規(guī)模的生產的需要4。為了解決這一問題，最近，華南理工大學發(fā)光材料與器件國家重點實驗室黃飛教授課題組

圖1 BTR的化學結構式、二元和三元太陽能電池器件結構示意圖、器件性能曲線和效率隨活性層厚度變化圖

通過引入液晶小分子(BTR)5的第三組分巧妙地實現了高效率(11.40%)厚膜的三元有機太陽能電池器件(見圖1)，相關研究成果發(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(見圖1)，并且在采用反向器件結構時，效率提高到11.40%。他們通過實驗手段證明，BTR的引入能減小π－π堆積的距離，增大相干長度(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現高效厚膜三元有機太陽電池的有效途徑，這對以后發(fā)展高效的適合卷對卷大規(guī)模生產的有機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