北理工团队在构筑高效三元有机太阳能电池方面取得进展

环境污染和能源危机是当今世界面临的两大难题，开发与利用高效率清洁能源是国家能源战略中亟需解决的重大科学问题。有机太阳能电池以其高灵活性、半透明、多彩、重量轻以及低成本商业化制造等优势成为最有前景的光电转换技术之一。有机太阳能电池的性能主要取决于活性层光吸收、激子离解、电荷传输和收集能力等。因此，十分有必要从多角度出发，研发各种策略来提高器件性能。基于此类科学问题，王金亮教授与安桥石特别研究员团队联合国内外课题组，通过将合成有机新材料与器件制备相结合，开发了多种高效率的有机给/受体材料和高性能器件。在“BIT”系列小分子给体材料（ Adv. Funct. Mater. 2015, 25 , 3514（ESI高被引论文）; J. Am. Chem. Soc. 2016, 138 , 7687（ESI高被引论文）; Adv. Funct. Mater. 2016, 26 , 1803（ESI高被引论文）; Joule , 2019, 3 , 846（ESI高被引论文）等）、含硒吩类与卤素调控给/受体材料（ ACS Energy Lett. , 2018, 3 , 2967; ChemSusChem 2021, 14 , 4454; Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60 , 19241 （ESI高被引论文）; Adv. Funct. Mater. 2022, 32 , 2108289; Energy Environ. Sci. , 2022, 15 , 320等）、高效全小分子器件（ Energy Environ. Sci. 2021, 14 , 3945（ESI高被引论文）; ACS Energy Lett. 2021, 6 , 2898等）以及机器学习辅助有机太阳能电池研究（ Energy Environ. Sci. 2021, 14 , 90（ESI高被引论文））等方面取得了一系列研究进展。

三元策略是一种有效提高有机太阳能电池效率的方法，其已成为该领域的研究热点。此外，三元策略在缓解器件效率对活性层厚度敏感方面展现出巨大潜力。活性层厚度的增加会导致载流子迁移率降低与失衡，空间电荷堆积以及复合增加。随着活性层厚度的增加，器件效率急剧下降，这是有机太阳能电池大规模应用亟待解决的关键问题。在二元体系中引入适当的第三组分能够有效增强有源层的光子俘获，优化能级和能量/电荷转移的路径，进而提升电荷的生成及收集效率。因此，如何甄选第三组分是构筑高效率且膜厚不敏感有机太阳能电池的核心问题。

图1. 相关分子结构与基本性质

考虑到同源衍生物具有相似的分子结构和良好的兼容性，通过使用同构型小分子Y6-1O和Y7-BO作为受体，明星聚合物PM6作为给体来制备高性能三元器件。Y6-1O与Y7-BO具有类似的“BTP”稠环分子骨架，使得两个受体之间具有极好的兼容性，从而有利于精细调控三元共混物的形貌以获得优化的短路电流密度和填充因子。另一方面，不同的卤素取代端基和两个受体中不同的不对称或对称核心单元能够提供互补的吸收和可调节的能级，这有助于在短路电流密度与开路电压之间获得良好的平衡。

图2. 器件的光伏性能

研究结果显示，当Y6-1O在受体中的含量为10 wt%时，三元器件最优效率达到18.11%，填充因子为79.27%。当器件的活性层厚度增加到300 nm或400 nm时，三元器件仍能保持16.61%或15.71%效率，均为目前已报道同厚度器件效率的最高值。三元器件效率的提升主要归因于更高效的电荷生成和提取过程，其得益于光子捕获的增加、能级及形貌的优化。该工作结果表明，将同源非富勒烯受体Y6-1O和Y7-BO相结合是同时实现高效薄膜和厚膜三元有机太阳能电池的一种有效策略。

图3. 活性层形貌研究

上述研究工作得到了国家自然科学基金项目、国家海外高层次人才青年项目、北京理工大学特立青年学者计划等项目以及北京市光电转换材料重点实验室的支持。北京理工大学分析测试中心为材料及器件表征提供了支持。

文章全文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adfm.202200807

附作者简介：

王金亮，化学与化工学院教授、博士生导师。2008年北京大学博士毕业，2013年入选国家海外高层次人才支持计划。主要从事有机与高分子光电能量转换材料化学研究，在单分散多氟代光伏给体材料和高效率含硒吩受体材料的高效合成以及器件性能调控方面开展了有特色的研究工作。主持承担了国家自然科学基金项目、国家海外高层次人才青年项目、北京市自然科学基金面上项目、北京理工大学特立青年学者计划等课题。至今在J. Am. Chem. Soc.等国际高水平学术期刊上已发表SCI论文 80余篇，总被引用6000余次。2016年入选北理工优秀硕士学位论文指导教师，2021年入选北京市优秀本科毕业论文指导教师。目前担任《北京理工大学学报英文版》第八届编委会委员。

安桥石，北京理工大学化学与化工学院特别研究员、博士生导师。2017年博士毕业于北京交通大学，导师为张福俊教授。2018年-2020年，继续在北京交通大学从事博士后研究，2020年4月加入北京理工大学化学与化工学院，主要从事有机光电子材料与器件方面的工作。迄今以第一/通讯作者身份在Energy Environ. Sci.; Angew. Chem., Int. Ed., ACS Energy Lett. Adv. Funct. Mater.; Nano Energy等国际高水平期刊上发表SCI 论文 30 余篇，其中ESI高被引论文9篇，论文累计他引5000余次，主持国家自然科学基金青年项目1项。