侯劍輝/張少青《ChemSusChem》：超過10%！基于P3HT有機太陽能電池的效率新紀錄
有機太陽能電池因其輕質柔性、可采用低成本涂布技術實現大面積生產等獨特優勢而備受關注。近年來，通過開發新型光活性層材料以及對其聚集態結構的有效調控，有機太陽能電池的光伏效率取得了不斷突破。然而，日漸成熟的分子設計策略使得光伏材料的分子結構越來越復雜，使其面臨成本過高和難以大批量制備等難題，成為制約有機光伏技術產業化的關鍵因素。
經典的導電聚合物聚（3-己基噻吩）（P3HT）已實現了低成本批量生產，是實現有機太陽能電池應用最具潛力的聚合物給體之一，近年來非富勒烯受體（NFA）的大量涌現也為有效提高其光伏效率提供了可能性，然而，由于大部分NFA與P3HT之間的相容性過強而致使二者在活性層中無法形成可以高效傳輸載流子的連續通道，基于P3HT:NFA的有機太陽能電池的光伏效率仍然較低，無法滿足實際應用的需求。因此，通過材料設計或形貌優化手段調節P3HT與NFA之間的相容性是提高基于P3HT有機太陽能電池光伏性能的關鍵。
近日，中國科學院化學研究所侯劍輝研究員和北京科技大學張少青副教授等人在先前報導過的P3HT:ZY-4Cl體系（Energy Environ. Sci., 2020, 13, 2864.）中，采用可揮發性固體添加劑，SA4，誘導活性層分子堆積更加有序，實現了基于P3HT的有機太陽能電池光伏效率10%的突破。差示掃描量熱（DSC）和原子力顯微鏡（AFM）測試結果表明SA4主要與受體ZY-4Cl相互作用，對其聚集態結構有明顯的影響。與傳統的液體添加劑1,8-二碘代辛烷（DIO）相比，SA4與DIO對ZY-4Cl的光學和結晶特性具有相似的作用，但對活性層微觀形貌的影響卻大有不同。研究結果表明，可揮發性固體添加劑SA4的引入使得活性層分子堆積更加有序，可形成更加有利的相分離形貌，從而促進電荷傳輸并抑制載流子復合，獲得更高的短路電流和填充因子。另外，SA4的引入還可以減少器件的能量損失，有利于開路電壓的提升。因此，固體添加劑SA4的使用使得P3HT:ZY-4Cl器件的三項光伏參數均有所提升，最終實現了10.24%的記錄效率，展現了基于P3HT的有機太陽能電池良好的發展前景。
圖1 基于P3HT的有機太陽能電池的光伏效率超過10%。
該研究結果近期發表在ChemSusChem。論文的第一作者為北京科技大學博士研究生楊晨熠，通訊作者為侯劍輝研究員和張少青副教授。
Citation: Chenyi Yang, Runnan Yu, Chenyu Liu, Hao Li, Shaoqing Zhang, Jianhui Hou. Achieving over 10% Efficiency in Poly(3-hexylthiophene)-based Organic Solar Cells via Solid Additives. ChemSusChem, 2021, 14, DOI: 10.1002/cssc.202100627.
論文鏈接：
https://chemistry-europe.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cssc.202100627
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