浙大Joule: 揭秘高效有机太阳能电池非辐射复合损失的起源

纳米人

2021-05-09

通讯作者：Yang (Michael) Yang, Haiming Zhu

第一单位：浙江大学化学系

研究亮点：

1. 首次明确揭示了高效非富勒烯有机太阳能电池中（包括明星异质结体系PM6:Y6），自由载流子复合产生的非富勒烯受体三重态激子是非辐射复合能量损失的主要通道之一，限制了有机太阳能电池的开路电压上限。

2. 给体侧链工程（氟化）改变了材料的HOMO能级，但对CT态能量和空穴转移驱动力的影响可以忽略不计。然而，这种改变带来的异质结介电环境的变化，有效抑制了非富勒烯受体三重态激子的生成，极大地减少非辐射复合损失，最终导致器件的开路电压和光电转化效率的提高。

研究背景

随着窄带隙非富勒烯受体的出现，近年来有机太阳能电池的效率得到了突破性的提升（超过18%）而引起了人们广泛的关注。然而，与传统的无机半导体和新兴的钙钛矿光伏电池相比，有机太阳能电池的开路电压损失（Voc）明显更大，尤其是非辐射复合损失，严重制约了其效率提升和商业化。因此，揭示有机太阳能电池非辐射复合损失的起源，探寻抑制非辐射复合损失的途径是进一步提升有机太阳能电池效率的关键问题。

成果简介

浙江大学Haiming Zhu等人发现，对于高效非富勒烯有机太阳能电池，自由载流子复合产生的非富勒烯受体三重态激子是非辐射复合能量损失的主要通道之一。更进一步地，该研究揭示了侧链氟化对非富勒烯受体三重态激子形成和电池非辐射复合损失的抑制作用。

通过瞬态吸收光谱的方法，研究人员分析提取出近红外光谱区非富勒烯三重态激子的信号：给体氟化之后共混膜中非富勒烯受体三重态激子生成的速率明显降低，对应更小的非辐射复合损失。

小结

本项研究揭示了非富勒烯受体三重态激子在高效率非富勒烯有机太阳能电池中非辐射复合损失中的重要角色，并提出非富勒烯受体三重态的管理对于进一步抑制有机太阳能电池非辐射复合损失和提升电池效率的关键作用。

参考文献

Zeng Chen, et al. Triplet exciton formation for non-radiative voltage loss in high-efficiency nonfullerene organic solar cells, Joule 2021

https://doi.org/10.1016/j.joule.2021.04.002