Acta Physico-Chimica Sinica  2017, Vol. 33 Issue (3): 447-448   (758 KB)    
Realizing High-Performance Ternary Organic Solar Cell with Thick Active Layer by Incorporating a Liquid Crystalline Small Molecule Third Component
LI Yong-Fang   
Institute of Chemistry, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, P. R. China


有机聚合物太阳能电池因其具有全固态、光伏材料性质可调范围宽、可实现半透明、可制成柔性器件以及可采用卷对卷印刷工艺大面积、低成本制备等突出优点而引起了广泛关注并得到了快速发展1, 2。其中三元有机太阳电池作为一种有效提高电池器件效率的办法也成为有机聚合物太阳能电池研究中的一个热点3

一般情况下,在三元有机太阳能电池中第三组分的引入是为了拓宽器件的吸收光谱来增加对太阳光的吸收和利用从而提高器件效率。然而,目前报导的绝大部分三元有机太阳能电池中活性层 (吸光层) 的厚度都只有100 nm左右。这很大程度上限制了器件短路电流的提高,因为100 nm厚的活性层并不能实现对太阳光的有效吸收。此外,未来卷对卷大面积印刷的生产方式也要求电池活性层在比较大的厚度范围下具有较好的性能,而100 nm的厚度远不能满足卷对卷大规模的生产的需要4。为了解决这一问题,最近,华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室黄飞教授课题组通过引入液晶小分子 (BTR)5的第三组分巧妙地实现了高效率 (11.40%) 厚膜的三元有机太阳能电池器件 (见图 1),相关研究成果发表在近期的Journal of the American Chemical Society杂志上6

图 1 BTR的化学结构式、二元和三元太阳能电池器件结构示意图、器件性能曲线和效率随活性层厚度变化图

该研究通过在目前比较高效的PTB7-Th: PC71BM体系中引入具有高空穴迁移率的液晶小分子 (BTR) 第三组分改善了活性层的形貌和大幅度提高了空穴迁移率,从而使得原来活性层最优厚度为100 nm的PTB7-Th:PC71BM体系的最优厚度增加到250 nm (见图 1),并且在采用反向器件结构时,效率提高到11.40%。他们通过实验手段证明,BTR的引入能减小π-π堆积的距离,增大相干长度 (coherence length) 和提高PTB7-Th的相区纯度,从而加快了电荷的传输和减小了电荷的双分子复合。该研究表明引入高迁移率的液晶小分子作为第三组分是一种实现高效厚膜三元有机太阳电池的有效途径,这对以后发展高效的适合卷对卷大规模生产的有机光伏材料和器件具有重要的借鉴意义。

Reference
(1) Zhang Z. G.; Li Y Sci. China Chem. 2015, 58, 192. doi: 10.1007/s11426-014-5260-2
(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.; Min 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/C5PY01340B
(5) Sun K.; Xiao Z.; Lu S.; Zajaczkowski W.; Pisula W.; Hanssen E.; White J. M.; Williamson 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