基于增强光子俘获能力与拓展光子俘获范围改善有机光伏器件效率的研究

The organic photovoltaic cells (OPV) have been considered as the next green energy sources and have caused extensive concern. Due to the narrow photon capture range of organic materials, the ternary active layers have been effective approach for high performance OPVs, which consist of organic materials with complementary absorption spectra. With ternary active layers, the power conversion efficiency (PCE) of OPV has exceeded 12%. However, the thicknesses of ternary active layers were usually limited at ~ 100 nm to obtain high performance OPV, and the advantage was limited on enhancing photons capture and expanding photons capture range, leading to the limited PCE of OPV. In this project, we focus on the aspects: i) exploring physical mechanism of device performance improvement due to ternary active layers based on the study of binary OPV; ii) optimizing phase separation of ternary active layers to enhance excitons dissociation, carriers transport and to restrain recombination of carriers, aiming at increasing the thickness of active layers ; and iii) studying on using interface diffuse reflection or surface plasmon resonance to further enhance photons capture ability, aiming at obtain OPV with PCE over 13%. The key of study focus on the selection of organic materials and the dynamic processes of exactions/carriers in the active layers, the regulation of ternary active layers forming process and the optimization of phase separation aiming at increasing the thickness of active layers.

有机光伏器件有望成为新一代绿色能源，引起广泛关注。由于有机材料光子俘获范围较窄，采用吸收光谱互补的有机材料制备三元有源层成为获得高效器件的有效途径。通过采用三元有源层，器件的能量转换效率(PCE)已突破12%。然而为保证器件性能，有源层厚度一般限制在100 nm左右，导致采用三元有源层增强光子俘获、拓展光子俘获范围的优势得不到充分发挥，器件性能较难获得进一步突破。本项目拟结合高效二元器件的研究成果，探索三元策略改善器件性能的物理机制；研究如何优化三元有源层相分离程度，增强激子解离、载流子传输并抑制载流子再复合，以增厚有源层厚度；研究如何借助界面处漫反射、等离子共振效应等机制进一步增强三元有源层增强光子利用能力，最终制备出PCE超过13%的器件。研究重点：如何甄选材料并研究三元有源层内激子、载流子动力学过程，研究如何调控三元有源层成膜动力学过程、优化有源层相分离程度以增厚有源层厚度。

本项目针对有机光伏器件 (OPVs) 的光子俘获能力偏弱、光子俘获范围较窄的问题展开研究，尝试在高效二元OPVs的基础上，通过协调材料的吸收光谱、能级结构、材料间兼容性、载流子迁移率等因素，甄选合适的三元有源层材料并制备高性能三元 OPVs。项目执行中通过调控有源层的自组装过程有效促进了有源层内激子解离、增强以及平衡载流子传输、抑制载流子再复合，最终制备出了光电转换效率 (PCE) 大幅突破 13%的三元OPVs。通过对薄膜、器件的光电特性、激子和载流子动力学等过程的表征，对高效三元OPVs涉及到的工作机理及关键科学问题有了一定了解。.项目取得代表性结果和关键数据如下：. 1. 在J71:BTP-BO-4Cl二元体系中引入吸收光谱互补的第二受体ITIC，器件的开路电压和短路电流密度均得到改善，器件的PCE从11.63%提高到13.65%，详情见Sustainable Energy Fuels, 2020, 4, 3979. 2. 在PM6:T6Me二元体系中引入吸收光谱互补的第二受体IT-2F增强光子俘获能力，IT-2F与T6Me之间的高效能量传递过程也明显提高了光生激子利用率，使三元OPVs的PCE达到13.36%，详情见Small 2019, 15, 1902602. 3. 以PTB7-Th:IEICO-4F和PTB7-Th:IT-4F体系制备二元OPVs，器件的PCE分别达到10.74%和8.81%。在PTB7-Th:IEICO-4F体系中引入光子俘获能力更强的第二受体材料IT-4F，有源层的形貌可有效优化，器件的性能参数填充因子 (FF) 显著改善、PCE从10.74%提高到11.78%。详情见Organic Electronics 2019, 67, 253-258.主要科学意义：. 采用三种甚至三种以上有机功能材料可有效拓展OPVs的光子俘获能力或拓展光子俘获范围。在项目执行过程中，利用第三组分还可以有效改善有源层的形貌、提高光生激子的利用率。此外，采用该策略改善OPVs的性能不仅可以保持器件制备过程简单的特点，还可有效控制器件制备成本的提升。最后，利用该策略还可以调整有源层的吸收光谱，为高性能半透明器件的开发提供有效的方案，详情见Nano Energy 2019, 55, 424-432。