优化有机太阳能电池活性层形貌和提升电池效率的新手段——有机金属络合策略

有机太阳能电池由于其廉价轻质和易实现大面积柔性制备等优势，近年来成为第三代太阳能电池的典型代表。最近几年，随着非富勒烯小分子受体材料的出现和快速发展，进一步推动了有机太阳能电池器件效率的提升，光电转换效率已达到15%-16%，使科学家们看到了其实用化的曙光。

2018年，四川大学的彭强教授（点击查看介绍）课题组在利用分别处于两条共轭聚合物主链上的噁二唑基团与铜金属形成络合物，有效提升了聚合物给体材料的结晶性，增强了其光谱吸收强度。这种铜络合策略还能非常有效地调控活性层的纳米相分离形貌，实现有机太阳能电池光电转换效率的大幅提升（Adv. Mater., 2018, 30, 1800737）。近期，该课题组利用多氮杂环受体骨架的配位特点，将铂金属络合策略巧妙地应用在活性层形貌调控上，获得了突破性的进展。他们首先设计制备了新型的宽带隙聚合物PSFTZ，在制备非富勒烯有机太阳能电池器件时，发现PSFTZ具有很强的聚集行为，导致其活性层的相分离较差、多媒尺寸较大、形貌难于调控。器件的最好效率也仅有13.03%。但是，在PSFTZ中加入一定量的有机金属铂化合物Pt(Ph)₂(DMSO)₂时，可以与PSFTZ主链上的四嗪基团发生络合反应。反应后利用铂络合物上苯环取代基的位阻效应有效抑制了PSFTZ的聚集性行为和结晶性，从而优化了其活性层的相分离和形貌，显著提升了器件的光电转换效率。当在聚合物中加入10%的Pt(Ph)₂(DMSO)₂参与反应时，器件的光伏参数均得到最大程度的提升，其J_sc和FF分别提高至26.45 mA cm^-2和76.3%，PCE则提高至16.35%。16.35%是目前文献报道的非富勒烯有机太阳能电池单结器件的最高效率值。

图1.（a）PSFTZ及不同铂络合度条件下的分子结构。（b）受体材料Y6的分子结构。（c）该研究工作采用的器件结构。（d）Pt0和Pt10器件效率统计数据。

图2（a）不同络合度器件的电流密度-电压曲线。（b）不同络合度器件的外量子效率曲线。（c）Pt10器件与Pt0器件外量子效率的差值曲线。（d）Pt10活性层与Pt0活性层的紫外-可见-近红外吸收差值曲线。

这一研究工作近期发表在Advanced Materials 上，四川大学的徐小鹏博士为文章的第一作者。该工作得到国家自然科学基金委、四川大学高分子国家重点实验室项目的大力支持。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Single-Junction Polymer Solar Cells with 16.35% Efficiency Enabled by a Platinum(II) Complexation Strategy

Xiaopeng Xu, Kui Feng, Zhaozhao Bi, Wei Ma,* Guangjun Zhang, Qiang Peng*

Adv. Mater., 2019, 31, 1901872, DOI: 10.1002/adma.201901872

导师介绍

彭强

https://www.x-mol.com/university/faculty/12794