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“激子调控魔术师”开辟提升有机太阳电池性能新途径

近年来,有机太阳能电池以其成本低、重量轻、可大面积制造等优点受到了广泛的关注。随着新材料体系的不断涌现和器件性能的不断优化,有机太阳电池的光电转换效率得到迅速提高。在有机太阳电池器件中,活性层材料首先须吸收尽可能多的光子以产生激子;在发生辐射或非辐射衰减之前,光生激子须扩散至电子给体-受体界面处解离成自由载流子;最后自由载流子被电极有效提取才能实现较高的光电转换效率。由此可知,激子扩散对器件的光电转换效率起着非常重要的作用,而激子寿命则是直接决定其扩散距离的主要因素。由于有机材料中,激子的扩散距离通常较短(10纳米左右),因此活性层的形貌及相分离尺寸对器件性能影响非常大。延长激子扩散距离,可以允许更多的光生激子扩散到给受体界面处,实现激子分离。然而,激子寿命作为光伏材料的本征属性,与材料分子的跃迁偶极矩密切相关,对于有机光伏材料而言其激子寿命在固态、室温条件下通常很难发生明显变化。如果能够找到合适的方法有效延长有机光伏材料中的光生激子寿命,则可以使更多的激子由电子给体相或电子受体相扩散至给体-受体界面发生分离,进而有效提升有机太阳能电池性能。近日,北京师范大学薄志山教授课题组与合作者发现了一种可有效延长受体光伏材料激子寿命的固体小分子添加剂——9-芴酮-1-甲酸(FCA),研究了延长激子寿命对于有机太阳能电池性能的影响,并探讨了FCA延长激子寿命的内在机理


研究发现,向非富勒烯电子受体IT-M薄膜中引入固体添加剂FCA后,可有效地将IT-M的光生激子寿命延长近一倍,同时IT-M的荧光强度和荧光量子产率都获得了明显提升。通过瞬态红外吸收光谱表征(合作者:中国科学院物理研究所李运良研究员课题组),发现IT-M光生激子寿命的延长可归因于“电子激发态-电子基态”分子间的振动耦合作用。这种振动耦合作用可使IT-M电子激发态上的过量振动能得以快速释放,由此避免电子激发态在过量振动能的协助下到达激发态-基态势能面交叉区,从而大幅度降低了能量以内转换形式进行非辐射衰减的可能性。光生激子寿命的延长使得IT-M激子的扩散距离延长49%,有助于提升太阳能电池器件的短路电流;同时,FCA对载流子寿命也有一定的提升效果,有助于增加太阳能电池器件的填充因子;最终,器件的光电转换效率得以提高。当IT-M在活性层体系中的含量逐渐提高(即电子受体相区尺寸增大)时,器件光电转换效率的提升变得越来越明显。当给体:受体重量比为1:4时,器件效率可提高56%。值得一提的是,此固体添加剂对活性层的形貌几乎没有影响,因此可在已具有适宜活性层形貌的基础上进一步提升器件性能。

延长激子寿命及提升器件性能的机理示意图


这是一种优化有机太阳能电池性能的新策略,不同于以往报道的活性层形貌优化、光谱拓宽、调控电荷转移态及能级结构等方法。该方法操作简单,无需考虑添加剂的后续去除问题,且能赋予有机太阳能电池器件较大的微观形貌容忍度,对于将来有机太阳能电池的规模化生产尤为重要。相关成果于近期发表在Advanced Materials 上,文章的第一作者为北京师范大学硕士研究生郭青昕,通讯作者为徐新军教授、李运良教授和薄志山教授。


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Enhancing the Performance of Organic Solar Cells by Prolonging the Lifetime of Photogenerated Excitons

Qingxin Guo, Yahui Liu, Ming Liu, Hao Zhang, Xiquan Qian, Jinjin Yang, Jing Wang, Wenyue Xue, Qian Zhao, Xinjun Xu,* Wei Ma, Zheng Tang, Yunliang Li,* Zhishan Bo*

Adv. Mater.2020, DOI: 10.1002/adma.202003164


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