肖衛課題組在有機太陽能電池領域取得新進展

2022-10-05 16:45:57
北京大學材料科學與工程學院占肖衛課題組提出一種簡單的策略,利用強熒光含硼有機半導體BBS作為固體添加劑,同時增強PM6:Y6基有機太陽能電池中的激子擴散和電荷輸運,提高了器件的能量轉換效率,相關工作發表在《先進材料》上(Adv. Mater., https://doi.org/10.1002/adma.202205926)。
有機太陽能電池作為一種非常有前景的環境友好型發電器件,具有柔性、質量輕和半透明等優點。近年來,以ITIC和Y6為代表的稠環電子受體促進了該領域的變革性發展。為了在有機太陽能電池中實現高效率,光活性層應吸收足夠的光子以產生激子,而且這些激子必須快速擴散到給體和受體的界面,并有效地解離成自由載流子。所以,高效的激子擴散和電荷輸運對提高有機太陽能電池的能量轉換效率起著至關重要的作用?;贔örster能量轉移理論,激子擴散長度和光致發光量子產率呈正相關關系,因此,可以通過提高光致發光量子產率來增加激子擴散長度。稠環電子受體表現出優異的激子擴散行為,其激子擴散系數比富勒烯受體高兩個數量級。然而,聚合物給體的激子擴散長度通常低于稠環電子受體。因此,增加聚合物給體的激子擴散長度有助于進一步提高器件效率。
作者利用強熒光含硼有機半導體BBS作為固體添加劑,同時增強了PM6:Y6基有機太陽能電池中的激子擴散和電荷輸運。BBS使熒光位點從更多的H型聚集轉變為更多的J型聚集,有利于聚合物給體PM6激子擴散的共振能量轉移和PM6向Y6的能量轉移。瞬態光柵超快光致發光光譜測量結果表明,BBS的加入提高了PM6:Y6:BBS薄膜中PM6的激子擴散系數和PM6激子的解離。瞬態吸收光譜測量證實了PM6:Y6:BBS中電荷產生更快。此外,BBS有助于改善Y6結晶性,電流傳感原子力顯微鏡表征表明了PM6:Y6:BBS中載流子擴散長度的增加?;赑M6:Y6:BBS的器件由于激子擴散、激子解離、電荷產生和電荷輸運的增強,以及電荷復合和能量損失的減少,開路電壓、短路電流密度和填充因子同時獲得提高,能量轉換效率達17.6%,高于未使用BBS的對比器件(16.2%)。這項工作有助于進一步理解非富勒烯有機太陽能電池中的激子和電荷行為,為研制高性能有機太陽能電池提供了新思路。
占肖衛課題組博士生陸恒是論文的第一作者,占肖衛是通訊作者。合作者還包括中國科學院物理所孟慶波課題組、東華大學唐正課題組、西安交通大學馬偉課題組、北京理工大學宋寅課題組、新西蘭惠靈頓維多利亞大學Justin M. Hodgkiss課題組和美國雪城大學Quinn Qiao課題組。
該工作得到國家自然科學基金委員會等的資助。(來源:北京大學)
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