北大占肖卫团队AM:有机硼添加剂同时增强有机太阳能电池中的激子/电荷传输

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前言回顾

有机太阳能电池（OSCs）作为一种非常有前景的环境友好型发电器件，具有灵活性高、重量轻和半透明等优点。近年来，以ITIC和Y6为代表的稠环电子受体（FREAs）促进了该领域的革命性发展。由于在材料设计和器件工程方面所付出的努力，目前高性能OSCs器件的光电转换效率（PCE）高达18-20%。为了在OSCs中实现高效率，光活性层应吸收足够的光子以产生激子，而这些激子必须快速扩散到给体和受体的界面，并有效地解离成自由载流子。事实上，激子扩散的动态过程对光电转换非常关键。此外，光伏材料的电荷传输能力对于确保自由电荷载流子在电极上的有效收集也非常重要。

单线态激子的扩散长度对于器件效率的进一步提高具有重要意义。根据之前的研究，可以通过优化分子结构、控制分子结晶度和调节激子陷阱密度来改善单线态激子的扩散长度。延迟荧光材料在单重态和三重态之间具有小的能隙和强的自旋-轨道耦合，可以用于改善激子扩散长度，并且可以作为活性层第三组分。基于Förster能量转移理论，激子扩散长度和光致发光量子产率（PLQY）呈正相关关系，因此，可以通过增加PLQY来增加激子扩散的长度。例如，将9-芴酮-1-羧酸引入到FREAs中可以获得更高的PLQY和更长的单线态激子寿命。事实上，FREAs表现出优异的激子扩散行为，其激子扩散系数比富勒烯受体高两个数量级。然而，聚合物给体的激子扩散长度通常低于FREAs，因为它们的斯托克斯位移相对较大，能量无序度较高。因此，增加聚合物给体的激子扩散长度对于进一步提高器件效率至关重要。

图1. 材料分子结构与光谱特性

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文献简介

有鉴于此，近日，北京大学占肖卫教授研究团队提出了一种同时增强OSCs中激子扩散和电荷传输的策略，即将荧光有机硼衍生物，双（二甲基硼）二苯乙烯（BBS）引入代表性的二元OSCs体系中。三芳基硼烷是一类广泛使用的有机半导体，其具有优异的发射和电子传输性能。因此，BBS的引入可以导致OSCs器件的激子的扩散长度增加，激子离解概率增加，进而电荷产生速度加快。此外，活性层的电荷载流子传输特性也得到增强。

图2.不同器件光伏性能比较

研究结果显示，基于PM6:Y6:BBS的OSCs器件获得了17.6%的PCE，同时开路电压为0.858 V，短路电流密度为27.1 mA cm-2，填充因子为75.5%，而对于未加入BBS的对照器件仅获得了16.2%的PCE。此外，所开发的策略具有一定的通用性，对于其它光活性层的OSCs，包括PTB7-Th:FOIC和PM6:IDIC，BBS的引入也能够提高相应器件性能。

图3.光发射动力学

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文献总结

综上，该工作通过引入荧光有机硼衍生物作为添加剂，增加激子扩散长度，同时可以优化共混物形貌，保持宏观π-π堆叠以促进电荷传输，最终提高了OSCs的器件性能。相关研究成果最新发表于国际顶级期刊《Advanced Materials》上，题为“Simultaneously Enhancing Exciton/Charge Transport in Organic Solar Cells by Organoboron　Additive”。

本文关键词：有机太阳能电池，激子扩散，第三组分，形貌优化。

转自：“有机光电前沿”微信公众号

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