中科院化学所《AEM》：效率18.6%！有机太阳能电池最高值之一

体异质结(BHJ)有机太阳能电池(OSC)由于其重量轻、成本低、使用灵活等优点，是一种很有前途的太阳能利用技术。得益于光活性材料的创新，体异质结有机太阳能电池的功率转换效率(PCE)已达18%。人们已经认识到，高效有机太阳能电池的能量损耗(E_losss)一般在0.5 eV以上，远远大于硅和钙钛矿的能量损耗。体异质结有机太阳能电池(OSC)的能量损耗通常在0.5 eV以上，远大于硅和钙钛矿的能量损耗(E_losss)。得益于光活性材料的创新，体异质结有机太阳能电池(OSC)的能量转换效率(PCE)已达到18%。在保证有机太阳能电池(OSCs)良好的体相异质结形态的前提下，具有深埋最高占据分子轨道(HOMO)能级的共轭聚合物供体对于降低光伏损耗、提高功率转换效率(PCE)具有重要意义。然而，这类材料的开发一直滞后。

中科院化学研究所侯剑辉研究员团队报道了一种基于噻二唑基的共轭聚合物Pb2F，其HOMO能级为5.64 eV，电致发光量子效率为3.9×10^-3。在OSCs中，通过与IT-4F的电子受体共混效应，得到了14.5%的高电致发光效率和0.957 V的超高开路电压(V_OC)。该共轭聚合物的HOMO能级为5.64 eV，电致发光量子效率为3.9×10^-3。更重要的是，PB2F作为第三组分被添加到PBDB-TF：BTP-eC9共混物中，获得了18.6%的出色PCE(认证PCE为18.2%)，是OSCs中PCE最高的之一。相关文章以“A Thiadiazole-Based Conjugated Polymer with Ultradeep HOMO Level and Strong Electroluminescence Enables 18.6% Efciency in Organic Solar Cell”标题发表在Advanced Energy Materials。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/aenm.202101705

图1.a)PB2F在氯苯溶液中随温度变化的吸收光谱。B)PB2F、PBDB-TF、IT-4F和BTP-eC9在薄膜中的吸收光谱。C)电极、界面层和光活性材料的能级排列。D)比较聚合物供体的HOMO水平和EQE_ELs。E)PB2F薄膜的AFM高度图像和相位图像以及F)PB2F薄膜的2D-GIWAXS图形。

图2.a，b)最佳OSC的J-V曲线。C)最优OSC的EQE曲线。D)在NIM上测得J-V曲线和功率密度曲线。E)最优OSCs的光致发光强度(Photo-CELIV)曲线。F)根据最佳OSCS的有效偏置J_ph图。

图3.a，d)PB2F:BTP-eC9，b，e)PBDB-TF:BTP-eC9,和c，f)三值薄膜的AFM高度和相位图像。g-i)二元和三元薄膜的二维GIWAXS图。

图4.a)在400 nm，10µJ cm⁻²激发下，PBDB-TF:PB2F, PBDB-TF:BTP-eC9和三元混合薄膜的二维TAS图像2。探测了来自PB2F, PBDB-TF:PB2F, PBDB-TF:BTP-eC9和三元混合薄膜在d)518 nm处的衰减动力学，和e)来自PBDB-TF:BTP-eC9和三元混合薄膜的630 nm处的衰减动力学。从f) PBDB-TF:BTP-eC9和g)三元共混膜中探索了不同波长下的衰减动力学。

综上所述，本文设计并合成了一种新型的1，3，4-噻二唑基共轭聚合物PB2F，其HOMO能级深达−5.64 eV，EQEEL高达3.9×10⁻³。PB2F薄膜呈面状排列，π-π堆积能力强，空穴迁移率高达≈6.4×10⁻⁴cm2 V⁻¹s⁻¹。与前人的工作相比，它是迄今为止基于IT-4F的OSC中最高的VOC而不牺牲JSC和FF。本文的工作表明，1，3，4-噻二唑在构建高效OSCs的HOMO水平较深的聚合物供体方面具有很大的潜力。本文还强调了PB2F是一种优秀的聚合物给体，在二元和三元OSCs中都有很好的适用性。（文：SSC）