张福俊&丁黎明AFM: 宽带隙聚合物给体实现高效半透明有机光伏器件

28 09月 2021

2021-09-28 10:47

导语：研究人员基于D18:N3体系制备了高性能不透明和半透明的OPV器件。当D18:N3的重量比为0.7:1.6时，不透明OPV器件的光电转换效率(PCE)达到16.18%，相应的共混膜的平均可见光透过率(AVT)高达50.07%。张福俊&丁黎明团队AFM:宽带隙聚合物给体实现高效半透明有机光伏器件

1.前言

有机光伏(OPV)技术由于具有半透明、重量轻、溶液可加工性和大面积制造等优点，是新型光伏应用中最有前景的技术之一。目前，不透明OPV器件的光电转换效率(PCE)已经突破了19%。然而，半透明OPV器件的PCE却依旧落后，这是因为在370-740 nm光波长范围内如果追求高平均可见光透过率(AVT)，会造成PCE的相应降低。半透明OPV的关键问题在于如何同时实现高AVT和PCE。

窄带隙聚合物给体和小分子受体通常是制备半透明OPV器件的首选，它可以实现可见光透射和强近红外光吸收，从而实现高PCE。然而，宽带隙聚合物给体具有较小的半高全宽，由于在可见光范围内的窄光子捕获能力更强使得AVT更高，这在制备高性能半透明OPV器件方面很有前景。除了合理选择活性层材料外，半透明顶电极也是实现高效半透明OPV的关键。因此，需要对电极材料和厚度同时进行优化，以实现尽可能高的AVT和导电性。

2.简介

基于以上的考虑，近日，北京交通大学张福俊教授、国家纳米科学中心丁黎明研究员等人团队展开合作，通过以宽带隙聚合物D18为给体，窄带隙小分子N3为受体，制备了高性能不透明和半透明的OPV器件。事实上，D18的稠环受体单元的刚性和扩展的分子平面有利于增强膜中的π-π堆积和良好的空穴迁移率。此外，D18和N3的HOMO/LUMO水平为5.51/2.77 eV和5.73/3.88 eV。其中，D18的HOMO水平和N3的LUMO水平之间的偏移量为1.63 eV，从而导致相对较大的开路电压。与其它常用的聚合物给体相比，D18的吸收光谱显示出相对较小的118 nm半高全宽，这有助于获得以D18为给体的半透明OPV的高AVT。

研究结果显示，随着D18:N3的重量比从1.1:1.6降至0.6:1.6时，D18:N3共混膜的AVT值可从38.45%提高到53.07%，相应不透明OPV器件的PCE值从17.46%降至15.07%。同时，所有不透明OPV器件的填充因子均可保持在77.0%以上。当D18:N3的重量比为0.7:1.6时，不透明OPV器件的PCE达到16.18%，相应的共混膜的AVT高达50.07%，这些结果说明了该体系制备高效半透明OPV器件的巨大潜力。在这种情况下，当以1 nm Au/10 nm Ag作为阴极时，最佳半透明OPV器件可以获得12.91%的PCE和22.49%的AVT，最大光利用效率(LUE)为2.90%，是目前报道的半透明OPV器件的最佳性能之一。

3.总结

综上，该工作对利用宽带隙聚合物作为给体制备高效半透明OPV器件具有指导意义。相关研究成果现已发表在国际材料与器件领域著名学术期刊《Advanced Functional Materials》上，题为“Wide Bandgap Polymer with Narrow Photon Harvesting in Visible Light Range Enables Efficient Semitransparent Organic Photovoltaics”。