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Nature Mater.：有机太阳能电池向实用化迈出一大步
太阳能作为几乎永不耗竭的清洁能源，是替代化石能源的最佳选择。科学家们开发了各种各样的太阳能电池来更好地利用太阳能。其中，相比传统硅基电池，有机太阳能电池的优势非常明显：柔性、廉价、可印刷制备柔性器件。但是，当前的大部分有机太阳能电池还只是实验室中的原型，稳定性、能量转换效率等问题是其迈向大规模实用的障碍。
在有机太阳能电池的众多材料中，曾经出现过一个有趣的材料——聚-（3-己基噻吩）（P3HT），这个材料具有非常强的优势：廉价，合成简单容易，甚至是可以利用“绿色”溶剂制备，再者器件的形貌比较稳定。但是缺陷也很明显，开路电压与短路电流较小。最近，非富勒烯的热潮的滚滚而来，使得P3HT这一经典材料又显现了巨大用途，从而引起了新一番热潮。P3HT：非富勒烯器件的稳定性、成本、性能使得它们成为有机太阳能电池迈向大规模商业化应用的有力选择。
近两年火起来的三元共混有机太阳能电池，被认为可以突破二元电池的效率瓶颈。同时提高开路电压、短路电流、填充因子三个因素是制约其能量转换效率增长的瓶颈。现在多数的三元共混体系为两个给体材料与一个受体材料共混，两种受体材料与一种给体材料的共混很难突破其相应的二元体系。最近伦敦帝国理工学院与阿卜杜拉国王科技大学的Iain McCulloch、Derya Baran、Raja Shahid Ashraf等人在Nature Materials报道了一种高效稳定的小分子受体三元太阳能电池，利用两种小分子非富勒烯受体材料，分别与P3HT以及PCE10制备三元共混电池，分别得到了超过7.7%以及11%的能量转换效率。
图一 a. 相关材料的化学结构；b.相应材料的电化学能级；c. 各种材料的薄膜吸收图；d. 相同浓度的60PCBM, FBR, IDFBR and IDTBR在氯仿溶液中的摩尔消光系数。图片来源：Nature Mater.
小分子非富勒烯FBR与IDFBR的吸收与IDTBR的吸收互补，IDTBR的吸收峰在690 nm，吸收边延长至近红外区。非富勒烯的吸光强度在可见光区域比PCBM高好几个数量级（图一）。
表一 二元以及三元电池的器件参数表
从表一可以看出，向P3HT混合薄膜中加入IDFBR作为第二个受体材料，效率出现明显提高，升至7.7 ± 0.1%。除此之外，作者还制备了大面积（1 cm2）的器件，光电转换效率为6.5%。为了验证两种非富勒烯小分子的有效性，作者利用窄带隙聚合物PCE10，以及相同的两种受体，制备得到的器件的最高效率为11.4%。
图二 a. 二元或者三元电池的电流-电压曲线；b. 对应的外量子效率曲线。图片来源：Nature Mater.
图三 a. 不同的二元、三元电池的效率在未包封且在黑暗空气中的稳定性曲线；b. 在未包封且在光照空气中的稳定性曲线。图片来源：Nature Mater.
作者研究了相关的器件形貌、电荷传输与复合，另外还对器件的稳定性进行了系统研究。1200小时后，在空气及黑暗条件下，P3HT:IDTBR:IDFBR（1:0.7:0.3）三元共混器件还能保持原有效率的80%，然而P3HT:IDTBR却只能保持70%（4.3%）（图三a）。但是对于所有的窄带隙聚合物：富勒烯，在空气中放置800小时后就不再能正常工作。随后，作者将一系列器件置于有光的空气中进行90小时的稳定性测试，P3HT:IDTBR:IDFBR可以保持最初效率的85%，而其他组合则表现出了较差的稳定性（图三b）。
总之，作者开发了一种利用双小分子非富勒烯受体：给体材料的三元共混体系，并利用经典的P3HT作为给体材料，离实现高效率、低成本、长寿命的有机太阳能电池又近了一步。但是，现有的结果对于有机太阳能电池的真正实用化来说还远远不够，将来有机太阳能电池如若能批量产业化，P3HT会是主角吗？大家怎么看？
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
http://www.nature.com/nmat/journal/vaop/ncurrent/full/nmat4797.html
Reducing the efficiency–stability–cost gap of organic photovoltaics with highly efficient and stable small molecule acceptor ternary solar cells
Nature Mater., 2016, DOI: 10.1038/NMAT4797