中科院姚惠峰&侯剑辉Energy Environ. Sci：通过将小分子受体纳入二元全聚合物太阳能电池来抑制能量紊乱

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前言回顾

由于有机太阳能电池具有固有的灵活性和优异的机械性能，它成为了轻型和可穿戴设备的有力候选者之一。与无机材料相比，使用无定形和结晶性较差的有机材料会导致更大的能量紊乱和电荷复合。因此，需要设计新型的具有光活性的材料和探索可行的形貌优化策略以抑制能量的无序。在过去的几年里，电子受体的发展极大地促进了功率转换效率（PCE）的快速提高。与富勒烯受体（~45meV）相比，非富勒烯受体的一个重要特性是其Urbach能量被抑制，这也是导致所得器件中电压损失降低的关键因素。通过结合聚合物供体/Y6型受体，可以得到超过19%的PCE，其具有大约25meV的小能量紊乱。此外，控制活性层的形态在限制能量无序方面起着关键作用。由共轭聚合物作为供体和受体所组成的全聚合物太阳能电池（All-PSCs），由于其优异的灵活性和稳定性，引起了人们的极大关注。与广泛研究的基于聚合物供体和小分子受体的电池相比，用小分子对应物取代聚合物受体会大大增加形态复杂性。并且，全聚合物共混物中链的高度缠结也会导致额外的能量损失。

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文献简介

基于此，中国科学院化学研究所CAS分子科学卓越研究教育中心分子科学的姚惠峰和侯剑辉等人通过二噻吩并[2,3d:2′,3′-d′′]苯并[1,2-b:4,5-b′]二噻吩（DTBDT）和二噻吩并[3,2-f:2′,3’-h]喹喔啉（DTQx）单元的交替共聚，设计了一种名为PDBQx-TCl的聚合物供体。其中，PDBQx-TCl具有2.04eV的光学带隙（Eg-opt）和5.23eV的低电离电势。通过将其与PY-it共混，All-PSCs实现了16.8%的良好PCE。随后，他们将名为BTA3-4F的小分子受体掺入到PDBQx-TCl:PY-it共混物中，以优化其性能。结果表明，BTA3-4F不仅补充了500-750nm范围内的吸收光谱，且还提高了受体的能级。值得注意的是，BTA3-4F的加入，导致了Urbach能量从29.2meV显著降低到25.1meV。因此，基于短路电流密度（JSC）、开路电压（VOC）和填充因子（FF）的同时提高，三元器件的最大PCE达到了18.6%。该工作表明，通过引入互补的第三组分来抑制二元All-PSCs中的能量无序是提高光伏性能的可行策略。

图1. (a) 分子结构; (b) 计算的DOSs; (c) 分子轨道; (d) 聚合物PDBQx-TCl的温度依赖性吸收

图2. (a) PY-IT和BTA3-4F的化学结构; (b) PDBQx-TCl、BTA3-4F和PY-IT在薄膜状态下的吸收光谱和(c)能级

图3. (a) J-V; (b) EQE曲线; (c) Photo CELIV; (d) Pdiss; (e) EQEEL; (f) 三个器件的陷阱密度

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文献总结

总之，该课题组设计了一种聚合物供体PDBQx-TCl，它在溶液中具有2.04eV的宽带隙和显著的预聚集效应。通过将PDBQx-TCl与聚合物受体PY-IT共混，所得电池实现了16.8%的中等PCE。随后，他们又在聚合物共混物中引入了一种中等带隙的小分子受体BTA3-4F，发现它能有效地调节共混物的形态，使得陷阱密度降低，载流子迁移率提高。最终结果表明，三元PSCs的PCE提高到了超高的18.6%。该研究结果表明，在二元全聚合物共混物中加入三元元素是抑制能量无序的有效策略，并且可以有效的提高PSCs的光伏性能。相关研究成果最新发表于国际知名期刊《Energy & Environmental Science》，题为“Suppression of energy disorder by incorporating a small-molecule acceptor into binary all-polymer solar cells”。

本文关键词：三元PSCs；小分子受体；光伏性能；转换效率；共混物

转自：“有机钙钛矿光电前沿”微信公众号

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