青岛能源所包西昌团队Nano Energy:引入绝缘聚合物提高电荷利用率并实现高性能有机太阳能电池

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前言回顾

近年来，有机太阳能电池（OSCs）研究领域已经取得了非常大的突破。然而，由于OSCs活性层共轭聚合物的吸收范围相对较窄，导致光利用不足，影响器件性能。通过引入第三组分来构建三元体系是一种有效的方法，可以补充光收集、优化形态等。此外，如活性材料的低相对介电常数，会导致单重态激子的低效解离和给体/受体（D/A）界面处的高电荷载流子复合，从而显著抑制电荷扩散和传输。

在光激发时，OSCs不能直接将光子转换为电子或空穴，而是在光吸收后形成电子-空穴对（激子）。激子扩散到活性层的D/A界面并解离为自由电荷载流子。在此过程中，电荷产生和复合都可能发生在D/A界面。然而，有机半导体的低相对介电常数和内置电场是限制激子解离的重要因素。这些不利因素分别导致高激子结合能和低驱动力。目前，研究人员已经证明，增强电介质常数或内置电场可有效改善OSCs性能。平面pin结广泛用于无机光电探测器、发光二极管和无机/混合太阳能电池之中。将具有高介电常数的宽带隙（或绝缘）聚合物引入活性层，并嵌入D/A界面以形成微pin结（给体和受体分别为p型和n型半导体），这可以增强体异质结（BHJ）的介电常数和内置电场，促进电荷产生和传输。

图1. 分子结构与共混物形态展示

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文献简介

在之前的工作中，中科院青岛生物能源与过程研究所包西昌研究员团队合成了一系列具有高扭曲刚性骨架的聚芳基醚（PAEs）绝缘聚合物（带隙>3.5 eV），其具有优异的机械稳定性和与有机光伏材料的良好兼容性。当向OSCs中添加PAEs后，与对照器件相比，该器件显示出优异的光伏性能和灵活性。近日，该团队将具有优异柔性的低成本绝缘体聚合物MPFM引入到基于PM6:Y6:PC71BM的三元共混膜之中，由于MPFM在D/A界面显示出更高的热力学稳定性，并在BHJ中形成微pin结，从而导致介电常数的增加。

图2.光谱数据与能级匹配

研究结果显示，通过微调MPFM含量（0-20 wt%、与给体的质量比）可以改善OSCs的光伏性能。相应器件不仅表现出增强的激子解离，而且激子和自由电荷的复合受到了抑制。当在PM6:Y6:PC71BM器件中添加MPFM（5 wt%）后，短路电流密度达到27.92 mA cm−2，同时与填充因子一起随着光敏材料的分子结晶度和粘附性的增强而增强。最终，相应的OSCs器件实现了18.21%的效率，是目前基于Y6的三元器件的效率最高值之一。更重要的是，引入MPFM之后，基于PM6:BTP-eC9:PC71BM器件的效率也达到了18.53%，说明了该策略的普遍适用性。

图3.光伏参数与瞬态光电压、光电流

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文献总结

综上，该工作将具有高介电常数的绝缘聚合物结合到BHJ中以形成pin结，可以作为一种低成本和通用的策略，进而改善器件的光电性能和效率。相关研究成果最新发表于国际著名能源期刊《Nano Energy》上，题为“Boosts charge utilization and enables high performance organic solar cells by marco- and micro- synergistic method”。

本文关键词：有机太阳能电池，三元器件，绝缘聚合物，介电常数。

转自：“有机光电前沿”微信公众号

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