三元有機太陽能電池的案例
：星型小分子受體用于構筑高效穩定的三元有機太陽能電池
近年來，由于非富勒烯稠環電子受體Y6及其衍生物的成功開發，使有機太陽能電池（OSCs）的能量轉換效率（PCE）得到不斷突破，目前單節有機太陽能電池的PCE已超過18%。盡管如此，基于Y6類的非富勒烯受體因其獨特的3D網絡分子堆積方式，在實現更加高效的電荷傳輸的同時，也會帶來分子過度聚集的不利影響。Y6類受體分子的過度聚集通常會造成活性層相分離過大，激子復合嚴重，以及器件的長期穩定性下降。因此，尋找一種既能夠提高器件能量轉化效率，同時又能抑制活性層中分子過度聚集，優化活性層形貌的策略至關重要。向二元共混體系中加入第三組分的三元策略被認為是提高有機太陽能電池性能的一種非常有效的方法。雖然許多這方面的工作都能實現器件效率的提升，但對于解決體系中存在的過度聚集和活性層形貌長期穩定性不佳等問題仍有一定挑戰，特別是第三組分的選擇。例如，在基于PM6:Y6體系的三元有機太陽能電池工作中，大部分第三組分都是和主給受體分子具有類似結構的線型分子，雖然其三元器件性能得到了提升，但是對于改善體系中分子過度聚集的問題效果不明顯，且對于易集聚體系中活性層形貌的長期穩定性調控并沒有優勢。
針對以上科學問題，近日，江西師范大學陳義旺教授和廖勛凡教授團隊采用星型受體分子TF1作為第三組分，有效解決了體系中分子過度聚集的問題，并且實現了更加高效穩定的三元有機太陽能電池器件。星型受體分子不僅具有類似于線型非富勒烯受體分子的高吸收系數和能級可調的優點，還具有高電子遷移率和各向同性的電荷傳輸特性。此外，其獨特的3D分子骨架具有較大的空間位阻，能夠有效的抑制分子的過度集聚。
展開 ：低液晶相轉變溫度的液晶小分子調控活性層形貌助力有機太陽能電池性能提升
近年來，三元策略在調控有機太陽能電池活性層形貌，改善器件性能方面顯示出巨大的潛力，成為有機光伏領域研究的熱點。迄今為止，已有相關文獻報道液晶小分子（LCSM）作為第三組分在調控活性層形貌方面的獨特優勢。BTR及其衍生物是目前使用最多的LCSMs，但這類分子具有非常高的液晶相轉變溫度，該溫度遠高于活性層薄膜的熱退火溫度，也就是說，當前基于這類LCSMs的三元有機太陽能電池（TOSCs）的研究低于其液晶相轉變溫度，并且分子本身的能級、混溶性等因素，在一定程度上也可能會對薄膜形貌產生影響，因此無法準確判斷LCSM自組裝特性對活性層形貌的調控作用，LCSM在TOSC內部的工作機制尚未得到系統和深入的研究。此外，這些LCSMs具有相對復雜的分子結構和繁瑣的合成步驟，嚴重限制了它們的廣泛應用。
針對上述問題，江西師范大學/南昌大學陳義旺教授、廖勛凡特聘教授團隊以低液晶相轉變溫度（112.8℃）的液晶小分子DFBT-TT6作為第三組分，基于高效的非富勒烯體系PM6:Y6構建TOSC。為了揭示液晶分子 DFBT-TT6對TOSC性能的影響并同時消除分子結構等其他因素的干擾，進一步合成了具有低玻璃化轉變溫度、結構相似的非液晶分子 DFBT-DT6作為對比。有趣的是，通過添加DFBT-TT6來微調PM6:Y6共混物的結晶度和相分離，在液晶相變溫度下退火，僅用3 wt％的DFBT-TT6即可調控薄膜形貌達到最佳狀態。實驗結果表明，DFBT-TT6可以增強PM6和Y6的結晶度，增加相分離并減小π–π堆積距離，從而在PM6:Y6:DFBT-TT6器件中實現超快的激子解離和更高的電荷收集效率。
展開 Nature Energy：通過協同富勒烯和非富勒烯受體實現具有分級形貌的高效有機三元太陽能電池
【前言】
采用多種光吸收材料來拓寬吸收光譜的三元有機光伏(TOPVs)被認為是實現高能量轉換效率(PCE)的重要手段。TOPV的性能在很大程度上依賴于能夠形成匹配的電子結構和合適的微觀形貌的材料組合來產生和傳輸電荷。盡管最近有一些成功的實踐和報道，但如何在復雜動力學平衡的指導下操縱多組分共混物的形貌，以最大光生電流并減少不同來源的電壓損耗通道，這一基本挑戰遠未得到滿足。因此，使用合適的材料和后處理過程來實現可以最大化電荷產生和提取的理想形態，是提高器件效率的重要途徑。由此出發，結合富勒烯和非富勒烯受體(NFAs)可能是有利的，因為富勒烯衍生物(PCBM)是良好的電子傳輸介質，而NFAs具有良好的光吸收和高度可調的能級排列。此外，由于NFAs體系的電荷分離過程中的驅動力較小，相應的器件得到的開壓損耗[定義為Eloss = Egopt ? qVoc (其中Egopt是光帶隙，Voc是開路電壓，q是基本電荷)]很低。
【成果簡介】
近日，中科院化學所的朱曉張教授、瑞典林雪平大學的張鳳玲教授以及上海交通大學劉烽教授（共同通訊）聯合在Nature Energy上發表文章，題為：High-efficiency small-molecule ternary solar cells with a hierarchical morphology enabled by synergizing fullerene and non-fullerene acceptors。作者通過將小分子給體與富勒烯和非富勒烯受體相結合，實現了三元太陽能電池13.20?±?0.25%的高能量轉換效率，這形成了由PCBM組成的電荷運輸高速公路和精細的非富勒烯小相分離路徑組成的分級形貌。
展開 蘇州大學在半透明有機太陽能電池領域取得新突破
最終，半透明有機太陽能電池的顯色指數接近100、平均透過率超過20%，且光電轉換效率達到了9.37%。更為重要的是，該種策略具有很好的普適性，不但適用于不同的活性層體系，還適用于制備大面積、柔性半透明器件。
圖1(a) 半透明有機太陽能電池的器件結構和材料分子結構；(b)不同光活性層材料的吸收光譜；(c)不同共混膜的透過光譜；(d)半透明有機太陽能電池的透過光譜; (e)不同半透明有機太陽能電池在模擬光源AM 1.5G下的色坐標; (f)透過不同半透明有機太陽能電池拍攝的數碼照片。
從圖1可以看出，相比于兩元體系，三元體系具有更好的光吸收互補特性，有效抑制了在600-780 nm波長范圍內透過光的波動性，且三元體系的共混膜展現出更好的顯色性。進一步通過引入介質鏡精確反射380-600 nm范圍透過的光，可降低該區域的透過率，從而獲得較為水平（均一）的透過光譜。基于三元體系和介質鏡協同效應下制備的半透明有機太陽能電池具有很好的顯色性，顯色指數接近100，其色坐標接近模擬標準光源AM 1.5G。透過該半透明電池拍攝不同的畫面能夠很好保留原有的色彩。
圖2(a) 采用刮涂法制備的三元半透明有機太陽能電池以及模擬其替代玻璃應用在窗戶上；(b) 10 cm×10 cm的半透明有機太陽能電池其不同位置上的透過光譜（圖片上位置的顏色與透過曲線顏色一致）； (c)不同區域的9個半透明有機太陽能電池的效率統計圖。
為了進一步推動半透明有機太陽能電池走向實際應用，研究人員探索了該策略在大面積刮涂法中的適用性。如圖2所示，采用刮涂法制備的大面積半透明有機太陽能電池同樣具有優異的顯色性，通過測試和統計不同區域的透過光譜和器件效率發現，大面積電池表現出了很好的均一性和重復性，為在光伏窗戶上的應用提供了可能。他們還拓展了半透明有機太陽能電池在柔性電池中的應用。
展開 
Science：南開大學有機太陽能電池效率破紀錄！
南開大學化學學院陳永勝教授領銜的團隊在有機太陽能電池領域研究中獲突破性進展。他們設計和制備的具有高效、寬光譜吸收特性的疊層有機太陽能電池材料和器件，實現了17.3%的光電轉化效率，刷新了目前文獻報道的有機/高分子太陽能電池光電轉化效率的世界最高紀錄。這一最新成果讓有機太陽能電池距離產業化更近一步。介紹該研究的論文在線發表于國際頂級學術期刊《科學》（Science）上。
有機太陽能電池的柔性特征和本工作主要結果
有機太陽能電池產業前景可期
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有機太陽能電池是解決環境污染、能源危機的有效途徑之一，其在質輕、柔軟、半透明、可大面積低成本印刷、環境友好等方面都遠遠優于傳統太陽能電池，被認為是具有重大產業前景的新一代綠色能源技術。然而，實現高效率的太陽能電能轉化是有機太陽能電池研究的核心難題。而這一難題能否解決也直接決定著有機太陽能電池能否走出實驗室、走進人類的實際生產生活。
提高光電轉化效率瓶頸何在？
展開 《AFM》：具有優異單位重量功率性能的超柔性有機太陽能電池！
有機光伏材料的高吸收系數和良好的延展性使電池非常薄(通常低于1um)，并顯示出與超薄聚合物箔基板的良好兼容性，這引起了極大的關注。
來自中科院寧波材料所的研究人員，在這里報道了超薄和超輕的有機太陽能電池（OSC），總厚度小于3um，在柔韌性和拉伸能力方面具有優異的機械性能。該OSC實現了15.5%的穩定功率轉換效率(PCE)和前所未有的32.07 W/g的單位重量功率(重量為4.83g·m-2)，這是迄今為止報道的基于超薄箔襯底的性能最好的OSC之一。三元策略引入了PC71BM分子非晶態構象的第三組分，可以在不降低電子遷移率的情況下，略微減少結晶和聚集，從而降低活性層的剛性和脆性。活性層延展性的增加顯著提高了器件的機械靈活性，在200次拉伸-壓縮循環后，PCE保持率超過90%。此外，該三元器件在充滿N2的手套箱中儲存時表現出優異的穩定性，使得PCE即使在1000小時后仍保持超過95%的初始效率。這種超柔性和超輕質光伏箔構成了將電源集成到可延展電子紡織品的重要一步。相關論文發表在Advanced Functional Materials。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202102694
圖1.（a）超薄柔性OSC的器件結構。(b)包裹在直徑為0.12毫米的銅線上的超柔性器件的照片
圖2.(a)JSC和Voc對光強的依賴性。b)二元和優化的基于PC71BM的三元器件的Jph–Ve?曲線。
圖3.a)二元和三元混合膜的形態演變示意圖。
圖4.a)附著在預拉伸彈性體上的可拉伸超薄OSC的示意圖。
展開 蘇州大學柔性有機太陽能電池
蘇州大學李永舫院士團隊的李耀文教授等人利用銀納米線對導電聚合物的組分進行調控，并與銀網格柔性基底復合制備了低面電阻、高透過率的新型柔性復合電極，基于此電極的柔性有機太陽能電池效率超過12%。近日，該成果以“Breaking 12% efficiency in flexible organic solar cells by using a composite electrode”為題，在線發表于Science China Chemistry。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1007/s11426-018-9430-8
有機太陽能電池(OSCs)活性層材料的可彎曲特性使其在柔性太陽能電池領域展現出了巨大的應用潛力。然而，商業化的銦錫氧化物（ITO）柔性電極由于易脆性、面電阻高、透過率低等缺點限制了其在柔性有機太陽能電池中的應用。為了解決這一問題，發展具有優良機械彎曲性、低面電阻、高透過率的新型柔性透明電極顯得尤為重要。
基于銀納米線（AgNWs）的導電薄膜不僅具有優良的機械性能，而且其光學和電學性能優異，成為極具應用前景的柔性透明電極材料。但是，粗糙度大、附著力弱，形貌不穩定等缺點依然限制了其在高性能柔性有機太陽能電池中的應用。
展開 華南理工《AFM》：實現18.7%效率的串聯有機太陽能電池！
然而，串聯有機太陽能電池(TOSCs)中的最大光電流通常是通過增加次電池的厚度來獲得的，這會導致這種器件的復合增強，從而影響其功率轉換效率(PCE)。
來自華南理工大學等單位的科研人員開發了一種高效的互連層(ICL)，其結構為ZnO納米粒子：PEI/PEI/PEDOT：PSS，其使得TOSCs具有很好的重復性。研究發現，通過增加有源層中非富勒烯受體的比例，可以減小這類TOSCs的最佳前子單元厚度。本工作中使用的非富勒烯受體的吸收系數遠大于前次電池中的給體吸收系數，當受體比例增加時，給體的吸收減少可以與受體的吸收減少很好地互補，從而導致即使薄膜較薄也能顯著提高整體吸收。另一方面，非富勒烯受體在前次電池中的吸收系數遠大于施主的吸收系數，當受體的比例增加時，施主的吸收減少可以得到很好的補償，從而即使薄膜較薄也能顯著地提高整體吸收。結果表面，該效應減小了前次電池的最佳厚度，并抑制了其電荷復合。相關論文發表在Advanced Functional Materials。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202103283
總的來說，在這項工作中，構建了一種高效的非富勒烯TOSC，其中ICL由ZnO納米粒子：PEI/PEI/PEDOT：PSS組成。該ICL具有良好的互連性能，使TOSCs具有很好的重復性。通過增加前次電池中非富勒烯受體TfIF-4Cl的比例，可以使TOSCs獲得最大光電流的最佳前次電池厚度減小到一個較低的值。該策略在不顯著增加前次電池厚度的情況下提高了前次電池的光子利用率，從而有效地抑制了有源層厚度增加時前次電池中發生的電荷復合。
展開 華南理工：有機太陽能電池中界面偶極作用機理的深入研究！
有趣的是，當FPyBr吸附在ITO表面時，由于分子本身的偶極和電荷轉移形成的吸附偶極相反，ITO的功函數并沒有明顯降低，意味著FPyBr可能不適合應用于倒裝有機太陽能電池。其作用機理示意圖見圖4。值得一提的是，分子模擬的結果和實驗結果具有良好的一致性，這種界面行為研究方法對于界面修飾材料作用機理研究和新材料的研發與應用有重要參考意義。
圖1、XPS表征結果
圖2、PFN的界面偶極作用機理
圖3、FPyBr在Ag表面的最穩定結構
圖4、含陰離子界面材料FPyBr的作用機理
*感謝論文作者團隊對本文的大力支持。
本文來自微信公眾號“材料科學與工程”。歡迎轉載請聯系，未經許可謝絕轉載至其他網站。
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17.7％！迄今這種有機太陽能電池最高值
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展開 實現這種有機太陽能電池創紀錄性能
基于全窄帶隙(ALL-NBG)半導體的半透明有機太陽能電池
有機太陽能電池中最高數值之一
然而，能量損耗大是制約有機太陽能電池(OSCs)功率轉換效率(PCE)的主要因素之一。
為此，來自浙江大學和武漢大學的學者對著名的Y系列非富勒烯受體BTP-4Cl-BO進行了化學修飾，合成了兩種新的非富勒烯受體：BTP-T2Cl和BTP-T-3Cl。TPC-Cl通過3-(二氰亞甲基)吲哚(IC)與氯化噻吩環的融合，擴展了TPC-Cl的π-共軛作用，合成了兩種新型的非富勒烯受體：BTP-T2Cl和BTP-T-3Cl。對于含有兩個TPC-Cl基團的BTP-T-2Cl，由于其0.0606%的高電致發光量子效率顯著降低了非輻射損耗(0.191 eV)，因此其能量損失非常低，僅為14.89%。
對于含有一個TPC-Cl基團的BTP-T-3Cl，相應的器件表現出17.61%的較高的PCE，并伴有較大的0.51 eV的能量損失，這可以歸因于優化的形貌和/或有效的電荷產生。
展開 
一種高效有機太陽能電池
，特別是窄禁帶受體的快速發展的推動下，有機太陽能電池(OSCs)取得了前所未有的發展。
Joule：高效有機非富勒烯聚合物太陽能電池器件壽命接近10年
【引言】
基于非富勒烯受體的有機太陽能電池近年來發展迅速。與富勒烯及其衍生物相比，非富勒烯受體具有更易調節的物理化學性質，更有效的光譜利用，以及更小的能量損耗等優勢。ITIC及其多種衍生物（圖一）作為非富勒烯受體材料近年來受到廣泛關注。通過分子結構調控ITIC能級來提高電池能量轉換效率是近年來的研究熱點。協同調節受體和給體的能級已經成功將電池能量轉換效率提高到13%以上。
對于有機太陽能電池的大規模工業化生產和應用，必須綜合考慮能量轉換效率、器件穩定性以及合成難度。因此，在研究分子能級調控對其能量轉換效率影響的同時，也應該關注其對穩定性和合成成本的影響。最近，德國埃爾蘭根-紐倫堡大學Christoph J. Brabec教授的研究團隊從能量轉換效率、器件穩定性和合成復雜度三個方面研究了ITIC及其系列衍生物的工業化可行性，以及分子調控對電池壽命的影響。研究表明，ITIC端基和側鏈修飾對器件穩定性有極大影響，該系列材料中的穩定體系有望達到接近10年的器件使用壽命。最后，作者通過分析工業化指標，指出降低合成成本對于該系列材料的工業化應用前景至關重要，該工作發表在Joule上。文章第一作者為杜曉艷博士，通訊作者為李寧博士和Christoph J. Brabec教授。
圖1. 給體和受體材料的分子結構
【圖文導讀】
該工作中的太陽能電池由程序控制自動進行穩定性測試。測試條件為干燥氮氣氛圍（氧氣和水含量均小于0.5ppm）使用白光LED燈照射，期間溫度控制在30°C。結果顯示（圖二），ITIC分子結構調控對電池穩定性影響極大。
展開 Mater: >10％效率﹑全溶液加工和無金屬氧化物的柔性有機太陽能電池
此外，PEDOT:PSS電極的功函數（-4.91 eV）與PEDOT:PSS（4083）界面層的功函數（-5.05 eV）相匹配，有利于空穴傳輸和被收集，提高了太陽能電池的VOC。因此，全溶液加工的柔性OSCs的VOC為0.93 V，JSC為15.49 mA cm?2，FF為70.27％，PCE為10.12％，并且在1000次循環彎折中保持極高的效率值。全溶液加工柔性電池（FTE﹑陽極/陰極緩沖層以及活性層均為溶液加工）適用于印刷﹑卷對卷和刮涂柔性化OSCs，這將提高高效率低成本柔性OSC產品的市場滲透。
文獻鏈接：“All‐Solution‐Processed Metal‐Oxide‐Free Flexible Organic Solar Cells with Over 10% Efficiency”(Adv.mater.2018 DOI: 10.1002/adma.201800075)
展開 香港科技大學顏河教授課題組：氟化端基助力高效全聚合物有機太陽能電池“四部曲”
Mater. 2021, 2100791 (DOI: 10.1002/adfm.202100791)
https://doi.org/10.1002/adfm.202100791
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Joule：三元互補策略助力全聚合物太陽能電池效率突破17%。
在完成對氟化數量與偶聯位置的優化之后，課題組試圖進一步提升全聚合物太陽電池的光電轉換效率。三元策略調節光譜吸收與軌道能級在有機太陽能電池領域已經取得了非常多的成就，于是，在窄帶隙的PY2F-T的共混膜中添加吸收藍移的受體材料有機會在不損失電流的前提下提升開路電壓從而進一步提升能量轉換效率。
圖6. 文章中涉及到的材料以及能量轉換效率分別對應填充因子、能量損失、T80穩定性散點圖，以及歸一化的器件效率穩定性曲線。
將無氟取代的PYT作為第三組分引入PM6：PY2F-T主體系統中后，由于三元共混物的互補吸收和微調的微觀結構，使得改善后的器件PCE高達17.2％，在可見和近紅外光譜區域中的外量子效率超過80％。值得注意的是，與相應的二元體系相比，三元共混物顯示出更少的能量損失，更好的光吸收和光熱穩定性。
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