效率超过9％的小分子太阳能电池外文翻译资料

 2023-01-05 17:58:22

效率超过9％的小分子太阳能电池

摘要：目前，最优的基于聚合物和小分子的单结有机光伏器件分别具有超过9％和8％的能量转换效率。在这里，我们报导了基于DRCN7T的可溶液处理的有机光伏器件，其使用具有7个噻吩缀合单元作为主链的和2-（1,1-二氰基亚甲基）绕丹宁作为末端单元的寡聚噻吩类小分子为给体，以[6,6]-苯基C71-丁酸甲酯（PC71BM）作为受体，实现了9.30％的优化的功率转换效率（在8.995％处认证）。基于DRCN7T的器件具有接近100％的内部量子效率，我们认为这归因于优化的纳米级互穿给/受体网络（具有直径约10 nm的高度结晶给体原纤维，接近激子在有机材料中的扩散长度）和高效的电子传输层的引入。

有机光伏器件（OPV）具有低成本和柔性的优点，是一个很有前景的平台，可以部分解决日益增长的全球能源需求问题。基于聚合物的OPV（P-OPV）已经实现了单结器件[1，2]的功率转换效率（PCE）gt; 9％，串联器件[3]的功率转换效率（PCE）为10.6％。另一方面，基于小分子的OPVs（SM-OPVs）[4-6]报告的单结器件的效率gt; 8％[7-9]，串联器件的效率gt; 12％[10]，并且小分子具有明确的结构的明显优势（如批次间差异较小的结果[11，12]）以及通常较高的开路电压（VOC）[13]。即使有了这些重大进展，相对较低的PCE仍不不利于商业应用[14]。由于复杂的多步光电子转换过程，包括光捕获，激子扩散和解离，电荷传输和收集步骤[15]，有必要在分子设计[4-6，16-20]，形貌[21，22]，界面层[23-25]和器件优化[26，27]之间取得微妙的平衡，以使PCE的最大化[28]。由于PCE = VOCtimes; JSC times; FF / Pin，其中JSC是短路电流密度，FF是填充因子，Pin是入射光强度，SM-OPVs的主要挑战是通过更好的分子设计，形貌控制和界面工程来增强FF和JSC，同时保持VOC。

最近，我们报道了一系列在骨架中具有七联噻吩小分子表现出优异的性能[5]，并且以乙基罗丹宁为末端基团，JSC得到显著改善[29]。在这篇文章中，一个新的分子（图1 a），DRCN7T，使用2-（1,1-二氰基亚甲基）绕丹宁作为末端单元，并且对其OPV性能进行了系统的研究。实现了9.30％的PCE（认证为8.995％），JSC = 14.87 mA cm-2和FF = 68.7％。这是迄今为止报道的单结SM-OPV的最高PCE[7-9，26]。这种卓越的性能来自直径为〜10 nm，接近激子扩散长度[30]（图1b）的高度结晶电子给体纤维网络结构，以及高效电子传输层（ETL）的使用。理论和实验结果都表明，对于激子扩散/解离和电荷传输/收集几乎不产生单分子或双分子复合的情况，实现了最佳效率。这些因素结合起来使内部量子效率（IQE）接近100％，这是评估任何材料的内在OPV性能并实现高性能的必要因素。

分子设计和表征

（5Z，5Z）-5,5 - （（3,3，3，3，4）的结构变化仅为非常小的结构， DERHD7T29]，用二氰基亚甲基取代巯基（图1 a），因为二氰基亚甲基已被用作强有力的电子接受基团以增强光吸收。密度泛函理论（DFT）计算表明，这一小变化可以降低带隙（主要是由于其最低空分子轨道LUMO）并增强吸收。二氰基亚甲基的引入还可以增加基态偶极矩并增强相邻分子之间的电荷偶合相互作用，这将促进结晶。此外，随着这种变化，分子空穴重组能量预计会下降[32]。所有这些因素都表明，基于DRCN7T[33]，OPV中预计将实现均衡的电荷传输，从而增强FF。在CHCl3溶液中，DRCN7T在530 nm处显示红色的吸收峰（与DERHD7T的508 nm峰相比），并且还具有47 l g-1 cm-1的较高的最大吸收系数，两者都与计算结果一致。虽然这两种分子在固态下的吸收都显示出明显的红移，但DRCN7T在760 nm处表现出更宽和更全面的强吸收。热退火后，DRCN7T显示出比DERHD7T更宽且更强的吸收。而且，676 nm处的振动肩峰表明增强的结晶度和分子骨架之间有效的pi;-pi;堆积。对于与受体结合的DRCN7T，DERHD7T也有更好的吸收。更重要的是，带反射几何光谱仪[34]的真实器件中的活性层结果以及基于光学传输矩阵模型[35，36]的光学模拟结果显示了类似的趋势。如预期的那样，DRCN7T（1.62 eV）的光学带隙低于DERHD7T（1.69 eV）的光学带隙。这也与循环伏安（CV）研究和DFT计算一致。

图1 分子设计和表征。a，DRCN7T和DERHD7T的化学结构；b，在优化的条件下基于DRCN7T：PC71BM的活性层的示意形态；c，DRCN7T和DERHD7T在氯仿溶液中的紫外可见吸收光谱；d，纯净DRCN7T和DERHD7T薄膜的紫外可见吸收光谱，在90℃下热退火10分钟。c，d中的ε是指吸收系数。

光伏性能

DRCN7T在普通溶剂中表现出高溶解度，卓越的热稳定性和可溶液处理的良好成膜性能。使用富勒烯衍生物作为电子受体的OPV，优化了不同的给体/受体比例，膜厚度，退火温度和ETL制备。当器件结构为氧化铟锡（ITO）/ PEDOT：PSS / DRCN7T：PC71BM / PFN / Al时，给体和受体的重量比为1：0.5，在90℃热退火10 min，实现了VOC = 0.91 V，JSC = 14.87 mA cm-2和FF = 68.7％，9.30％的PCE（认证为8.995％）。具有聚[（9,9-双（3 - （N，N-二甲基氨基）丙基）-2,7-芴） - 2,7-（9,9-二辛基芴）]（PFN）是一种广泛研究的ETL材料[37]，比使用LiF和ZnO的其他基于ETL的器件具有更高的可重复性能 [37，38]。PFN作为ETL的这种增强性能可能是由于活性层和金属电极之间的能量势垒减少，从而改善了电荷传输和收集效率 [25]。为了进行比较，在相同的条件下制备了基于DERHD7T：PC71BM器件，两种材料的相应优化结果如表1所示。DRCN7T的性能明显优于DERHD7T。在相同条件下基于这两种材料的优化器件的特性电流密度-电压（J-V）曲线在图2 a中，以PFN作为ETL给出。如表1所示，尽管基于这两种化合物的器件具有类似的约0.9V的高VOC，但是如其可比较的最高占据分子轨道（HOMO）所预期的那样，它们的JSC和FF值显著不同。

表1 在相同优化条件（器件结构，ITO / PEDOT：PSS /active layer/ ETL / Al）下，基于DRCN7T-和DERHD7T的器件的光伏性能。

图2 器件性能与结构ITO / PEDOT：PSS / DRCN7T：PC71BM或DERHD7T：PC71BM / PFN / Al。a，两种器件在优化条件和模拟AM 1.5G辐照（100 mW cm-2）下的特性电流密度对电压（J-V）曲线；b，两种器件的EQE曲线。插图：相应的IQE光谱；c，在恒定入射光强度下（AM 1.5 G，100 mW cm-2），两种器件的光电流密度对有效电压（Jph-Veff）特性的关系；d，在有效电压为1.9 V和0.3 V的情况下，两种器件的光电流密度的双对数曲线作为入射光强度的函数。

基于DRCN7T的最佳器件的外部量子效率（EQE）曲线如图2b所示，在整个太阳光谱范围内，该器件的EQE（主要在60%-75%）比基于DERHD7T的器件的EQE高得多。从基于DRCN7T的器件的EQE曲线积分计算的JSC值（14.37 mA cm-2）接近J-V测量的JSC值（14.87 mA cm-2），误差为3.3％。如图2b插图所示，活性层的有效PCE应该由IQE来判断，IQE是通过测量活性层和EQE的有效吸收来计算的。这表明基于DRCN7T的器件的IQE从450 nm到650 nm超过90％，在〜520 nm处接近100％。因此，几乎每个被活性层吸收的光子都被转化为自由电荷并被收集[34]，这表明在多步光电子转换过程中，每个步骤都是高效率的，几乎不发生单分子或双分子复合。这与基于DERHD7T的器件形成鲜明对比，在大多数太阳光谱范围内，IQE lt;60％。

图3 共混膜的形态。a，b，不含（a）和（b）热退火的DRCN7T：PC71BM（1:0.5，wt / wt）

共混物膜的TEM图像；c，d，没有（c）和（d）热退火的DERHD7T：PC71BM（1:0.5，wt / wt）共混物膜的TEM图像。比例尺，200纳米。e，具有和不具有退火的DRCN7T：PC71BM和DERHD7T：PC71BM薄膜的RSoXS分布图。 Iq2，强度times;q2。a.u.，任意单位。

基于DRCN7T器件的高性能和与DERHD7T器件相比的显著差异得到了光电流密度（Jph）与有效电压（Veff）或光强度（Pin）之间关系的支持。Jph = JL - JD，其中JL和JD分别是在光照和黑暗中的电流密度。对于Veff = Vo-Va，Vo是Jph = 0时的电压，Va是施加电压。图2c给出了Jph与Veff[15]的图。对于基于DRCN7T的器件，当有效电压Veff达到相对较低的2V电压时，Jph在低值Veff处具有接近线性的电压依赖性，并且Jph达到饱和（其中获得饱和电流密度Jsat）。这表明光生激子解离成自由电荷载体，并且电荷载体非常有效地收集在电极上，对于基于DRCN7T的器件几乎没有双成分或双分子复合。然而，对于DERHD7T而言，Jph在较大的偏置范围内表现出更强的场依赖性，即使在Veff = 3V时也没有完全饱和，表明存在显著的双链和/或双分子重组和/或效率较低界面接触，从而降低FF[39-41]。比率Jph / Jsat可以用来判断整体激子解离效率和电荷收集效率[37] 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

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