北工商光电材料与器件团队JMCA: 高效高稳赝双层三元有机太阳能电池
以下文章来源于RSC英国皇家化学会 ，作者多校合作
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研究背景
有机太阳能电池 (Organic Solar Cells,OSCs) 因其材料来源广泛、质轻、便于制备柔性器件、可以通过喷涂、刮板印刷等工业化方法大面积制膜，具有良好的应用前景，受到了科研界和产业界的广泛关注。
高效率的有机太阳能电池基本上都是基于体异质结 (BHJ) 结构活性层制备的。在体异质结活性层形成过程中，给受体混合溶液快速沉积和干燥形成纳米级形貌，给受体材料是随机分布。基于热动力学过程自发形成的活性层形貌通常难以获得最佳性能。
近期，研究发现采用逐层 (LbL) 沉积法制备的赝双层平面异质结 (PPHJ) 有机光伏器件，可以分别对给体层、受体层进行优化，易于得到理想的活性层垂直相分离形貌，已展示出比传统体异质结器件更优异的性能。
基于此，北京工商大学李熊副教授联合北京交通大学马晓玲副教授、中科院化学所邹业研究员采用 LbL 法制备基于 PM6/Y6 非富勒烯体系 OSCs，并引入富勒烯衍生物 PC71BM 作为第三组分进一步改善光伏性能。
赝平面异质结和三元策略的结合，富勒烯和非富勒烯受体的综合利用，协同将有机太阳能电池的能量转换效率 (PCE) 从 16.44%（PM6/Y6 二元器件）提高到 17.82%（PM6/Y6:PC71BM 三元器件），且三元器件展示了更好的稳定性。
该工作以题为 “High-performance pseudo-bilayer ternary organic solar cells with PC71BM as the third component” (PC₇₁BM 作为第三组分的高性能赝双层三元有机太阳能电池) 的论文发表在英国皇家化学会出版的国际权威材料化学期刊 Journal of Materials Chemistry A 上，并被选做期刊 HOT Papers。
研究内容
PC71BM 较高的 LUMO 能级有利于提升器件的开路电压（VOC）；同时 PC71BM 与 PM6、Y6 有比较好的能级匹配，PC71BM 引入 PM6/Y6 活性层所产生的梯度能级，有利于电子传输。PC71BM 与 PM6，Y6 表现出光谱互补特性（图 1c），从而有利于增强活性层对光的吸收，提升器件短路电流密度（Jsc）。光致荧光（PL）谱进一步表明，PC71BM、Y6 双受体材料之间存在着从 PC71BM 到 Y6 之间的 Förster 共振能量转移（FRET）。研究结果显示，与基于 PM6/Y6 的二元器件相比，引入 PC71BM 作为第三组分时，赝双层三元 OSCs 器件获得了 17.82% 的 PCE，同时器件的 VOC（0.855V）、Jsc（26.82mA · cm-2）和填充因子 FF （77.73%）均得到了改善。
▲ | 图 1. (a) PM6,Y6 和 PC71BM 的化学结构，(b)材料的能级结构示意图，(c) PM6，Y6 和 PC71BM 薄膜的吸收光谱，（d）Y6, PC71BM and Y6:PC71BM 薄膜的 PL 谱，(e) 器件的 J-V 曲线。 |
借助于瞬态光电流/光电压衰减特性及 VOC、JSC 与光强的关系（图 2），分析了器件的载流子传输与复合特性，研究表明 PC71BM 的引入减少了活性层中的陷阱中心，抑制了陷阱复合，从而有利于电荷传输与收集。在赝双层器件中，电子和空穴在各自独立的通道内被传输到相应的电极，PC71BM 的引入进一步改善了电子传输特性，使空穴和电子的电荷传输更平衡，使得三元器件有更优异的性能。
▲ | 图 2. PM6/Y6二元和 PM6/Y6:PC71BM 三元器件的(a) 归一化 TPC和(b) TPV 衰减曲线， (c) VOC 和(d) JSC 与光强的关系。 |
▲ | 图 3. 纯PM6，Y6 和 PC71BM 薄膜的接触角 |
▲ | 图 4. PM6/Y6二元和 PM6/Y6:PC71BM三元器件的光伏参数衰减特性：(a) VOC、(b) JSC、(c) FF、(d)PCE。 |
总结展望
近年来，随着一系列新材料的开发与器件制备工艺的优化，有机太阳能电池的能量转换效率不断提升，使其在光伏建筑一体化、便携式能源、半透明器件等领域展示了巨大的应用潜力。进一步探索高性能有机光伏器件的制备工艺并改善器件的稳定性具有重要的实用意义。
本研究将非富勒烯受体 Y6 与传统的富勒烯受体材料 PC71BM 相结合，通过逐层沉积法制备活性层 ，为获得具有实用价值的商用太阳能电池模块提供了重要的参考。
论文信息
High-performance pseudo-bilayer ternary organic solar cells with PC71BM as the third component
Yujiao Yan, Xuejiao Zhou, Fenghua Zhang, Jun Zhou, Tao lin, Yaohui Zhu, Denghui Xu, Xiaoling Ma (马晓玲, 北京交通大学), Ye Zou (邹业, 中国科学院化学研究所) and Xiong Li(李熊, 北京工商大学)
J. Mater. Chem. A, 2022, 10, 23124-23133
https://doi.org/10.1039/D2TA04784E
作者简介
北京工商大学人工智能学院
本文第一作者，北京工商大学 2020 级硕士研究生。主持北京工商大学科研能力提升计划项目 1 项，参与国家自然科学基金 1 项，主要从事逐层法制备高效率有机太阳能电池的研究。
北京工商大学
本文通讯作者，北京工商大学副教授，研究生导师，致力于有机光伏器件的性能优化与机理研究，通过有源层形貌调控、界面修饰等途径研发基于新机理的高效率有机光伏器件。主持和参与科研项目 10 多项，发表 SCI 论文 50 多篇，出版专著 1 部，公开和授权发明专利 3 项。2020 年获北京工商大学优秀教师、优秀研究生导师，2021 年获北京工商大学优秀硕士论文指导教师。
北京交通大学
本文通讯作者，北京交通大学副教授，入选博士后创新人才支持计划，北京交通大学“青年英才”计划。聚焦三元有机光伏器件制备及机理研究，提出了有源层材料甄选新方法及机理研究新手段。以第一作者及通讯作者身份在“中国科技期刊卓越行动计划”中的领军期刊 Natl. Sci. Rev. 及国际高水平期刊 Energy Environ. Sci.、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater. 等上发表 IF>10 的 An1 类论文 19 篇 (累计影响因子：366，累计被引：1500 余次)。
中国科学院化学研究所
本文通讯作者，中国科学院化学研究所研究员。主要从事有机光电功能器件及其物理、有机热电材料、光电子能谱表征技术等研究，重点开展有机半导体表面/界面、掺杂等相关的性质、机制和应用研究。负责化学所分子器件研究平台的电磁热光综合物性测量系统（PPMS）、多功能紫外光电子能谱系统（UPS、XPS）、低能反光电子能谱系统（LEIPS、IPES）等多套大型综合研究系统建设和管理运行。主持和参与各类纵向科研基金项目 10 余项，发表 SCI 论文 70 余篇。
相关期刊
rsc.li/materials-a
J. Mater. Chem. A
| 2-年影响因子* | 14.511分 |
| 5-年影响因子* | 13.375分 |
| 最高 JCR 分区* | Q1 能源与燃料 |
| CiteScore 分† | 21分 |
| 中位一审周期‡ | 28 天 |
Journal of Materials Chemistry A、B 和 C 报道材料化学各领域的高质量理论或实验研究工作。这三本期刊发表的论文侧重于报道对材料及其性质的新理解、材料的新应用以及材料合成的新方法。Journal of Materials Chemistry A、B 和 C 的区别在于所报道材料的不同预期用途。粗略的划分是，Journal of Materials Chemistry A 报道材料在能源和可持续性方面的应用，Journal of Materials Chemistry B 报道材料在生物学和医学方面的应用，Journal of Materials Chemistry C 报道材料在光学、磁学和电子设备方面的应用。
Anders Hagfeldt
🇸🇪 乌普萨拉大学
Associate editors
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* 2021 Journal Citation Reports (Clarivate, 2022)
† CiteScore 2021 by Elsevier
‡ 中位数，仅统计进入同行评审阶段的稿件
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