有機太陽電池因為其柔性、輕質(zhì)、可溶液加工等特點而具有巨大商業(yè)應(yīng)用前景。有機太陽電池活性層通常為二元體系，由一個電子給體和一個電子受體組成，給/受體共混形成納米尺度互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可提供足夠激子解離界面和載流子快速傳輸通道。由于有機共軛分子有限的光吸收，二元活性層吸光范圍較窄，不能充分覆蓋太陽輻射光譜。近年來，利用吸收互補的三種材料（如：兩給體一受體，一給體兩受體）構(gòu)筑三元有機太陽電池成為一個研究熱點（J. Phys. Chem. C 2009, 113, 1620-1623）。由共軛高分子給體、富勒烯受體和非富勒烯受體構(gòu)筑的三元體異質(zhì)結(jié)太陽電池性能優(yōu)越，它綜合了富勒烯受體的高電子遷移率優(yōu)勢和非富勒烯受體的高可見-近紅外吸光優(yōu)勢。
2010年以來，國家納米科學中心丁黎明課題組在有機電子給體，有機電子受體，界面材料，體異質(zhì)結(jié)太陽電池，鈣鈦礦太陽電池研發(fā)方面做了不少探索性、創(chuàng)新性研究（代表性工作請參閱: Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51, 9038 –9041; Energy Environ. Sci. 2013, 6, 3224–3228; Nanoscale 2014, 6, 9935–9938; Energy Environ. Sci. 2016, 9, 2114–2121; Chem. Commun. 2015, 51, 11830–11833; J. Mater. Chem. A 2015, 3, 9063–9066; Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 6528–6532; Adv. Energy Mater. 2017, 7, 1601193; Adv. Energy Mater. 2017, 7, 1602509.）。
最近，他們研發(fā)了一類新型碳氧橋梯形稠環(huán)單元，與傳統(tǒng)的碳橋梯形稠環(huán)單元如吲噠省類分子（IDT，IDTT）相比，它具有更強的給電子能力和更大分子平面，用它構(gòu)筑的D-A共聚物給體分子或A-D-A非富勒烯受體分子具備更窄帶隙，更強吸光能力，以及更強載流子傳輸能力，太陽電池可以獲得更高短路電流密度（Jsc）、填充因子（FF）和PCE（Sci. Bull. 2017, 62,1331-1336）。在此基礎(chǔ)上，他們設(shè)計合成了基于八環(huán)碳氧橋梯形稠環(huán)單元的非富勒烯受體分子COi8DFIC，其光學帶隙僅為1.26 eV，在600-1000 nm范圍內(nèi)具有強吸光能力，COi8DFIC與給體PTB7-Th共混制備體異質(zhì)結(jié)太陽電池，獲得12.16%的PCE和26.12 mA cm-2的Jsc（Sci. Bull.2017, 62, 1494-1496）。他們將富勒烯受體PC71BM引入COi8DFIC和PTB7-Th二元體系，經(jīng)過系統(tǒng)優(yōu)化，獲得14.08％的能量轉(zhuǎn)換效率，這是目前報道的單節(jié)有機太陽電池最高效率。添加一定量PC71BM，活性層在短波和長波區(qū)的吸光能力明顯增強，活性層電子遷移率明顯提高，實現(xiàn)更加平衡的載流子傳輸，電荷復合被進一步抑制，Jsc和FF有顯著提高。該三元電池在近紅外有較高的外量子效率（EQE），響應(yīng)波長達1050 nm，在疊層電池和半透明電池方面都將有應(yīng)用潛力。
這個工作以題為“Ternary organic solar cells offer 14% power conversion efficiency”在線發(fā)表在Science Bulletin (Sci. Bull. 2017,DOI: 10.1016/j.scib.2017.11.003)。這是有機太陽電池能量轉(zhuǎn)換效率首次突破14%！
(a)PTB7-Th，COi8DFIC和PC71BM分子結(jié)構(gòu)；(b)PTB7-Th，COi8DFIC和PC71BM膜吸收光譜；(c)能級圖；(d)二元和三元電池J-V曲線；(e)二元和三元電池EQE曲線。
丁黎明課題組獲得國家科技部納米專項和國家自然科學基金的支持。丁黎明研究員是2017年度國家科技部納米專項“高效穩(wěn)定大面積有機太陽電池關(guān)鍵材料和制備技術(shù)”首席科學家。
