无“点燃损失”的非富勒烯有机太阳能电池

与传统硅基太阳能电池相比，有机太阳能电池的优势主要体现在成本低、柔性高、工艺简单、环境友好等方面。但是有机光伏材料的光电转换效率还有待提高，而且稳定性不佳，易发生光致降解，这常常会导致在工作条件下器件光电转换效率的明显下降。尤其是含有富勒烯的电子受体材料，在光照下暴露几十个小时往往就会出现效率的明显降低，最后会稳定在比最初效率低25%至50%的水平上，这种损失通常被称作“点燃（burn in）损失”。点燃损失可能的诱因包括器件接触的金属离子、光致富勒烯的二聚、电子缺陷态的光诱导产生以及旋节点分层等。热致效率降解也被认为是许多有机太阳能电池的重要问题。

相比之下，非富勒烯受体展现了几个潜在的优势，例如较强及可调的吸收、可调的能级、较低的成本以及合成的灵活性。考虑到这些优势，利用非富勒烯的有机太阳能电池能否比富勒烯电池展现出更低的“点燃损失”呢？近日，英国帝国理工学院James R. Durrant博士等人开发了一种无点燃损失的非富勒烯有机太阳能电池。相关论文发表在Adv. Mater.上。

图1. a）文章中给体受体的结构; b）各材料的能级示意图; c）电流-电压曲线; d）外量子效率曲线。图片来源：Adv. Mater.

作者制备器件时采用了倒装器件结构，各层的能级如图1b所示。作者选用聚合物给体PffBT4T-2OD以及非富勒烯受体EH-IDTBR（图1a），器件中采用D:A = 1:1.4的给受体，二氯苯为溶剂且没有使用添加剂。作为对照，作者也制备了使用富勒烯受体PC₇₁BM的器件，采用氯苯与二氯苯1:1的混合溶剂，并加入了二碘辛烷（DIO）作为添加剂。测试结果表明（图1c），PffBT4T-2OD:EH-IDTBR电池的光电转换效率高达9.5%。尽管加入DIO添加剂的PffBT4T-2OD:PC₇₁BM电池的效率为10.9%，但不加添加剂的PffBT4T-2OD:PC₇₁BM电池的效率最高仅为6.6%。

两种混合物的紫外-可见吸收光谱如图2a所示，而图1d展示了两种器件的外量子效率（EQE）。PffBT4T-2OD:PC₇₁BM表现出了从350 nm到800 nm的吸收，这与其紫外-可见吸收光谱相吻合。PffBT4T-2OD:EH-IDTBR电池在500 nm左右吸收明显降低，这是由于缺少光活性材料的吸收。而EH-IDTBR及PffBT4T-2OD吸收的重合，是其短路电流下降的主要原因。光致发光（PL）光谱如图2b所示，两个体系聚合物的荧光猝灭效率很相似：PffBT4T-2OD:EH-IDTBR是80%，PffBT4T-2OD:PC₇₁BM是77%。其相对温和的荧光猝灭效率可能归因于PffBT4T-2OD的高结晶度及大相畴尺寸，激子表面转移时，会导致明显的聚合物激子湮灭到达基态。激子湮灭到基态相当于20%的量子损失（图2d）。

图2. a）紫外吸收光谱; b）715 nm激发的PL光谱; c）瞬态光谱; d） 极化子的吸收。图片来源：Adv. Mater.

随后作者测试了两种器件的稳定性。在白光下，PffBT4T-2OD:PC₇₁BM器件的效率在60小时中下降了超过20%，这是基于富勒烯受体器件很典型的“点燃损失”。相反，PffBT4T-2OD:EH-IDTBR体系在该时间段却没有展现出光导致的效率损失，有些情况下甚至性能还会略微增高，这可能与ZnO层的光诱导掺杂有关。在“点燃损失”的实验中，作者测试了18个器件，所有的PffBT4T-2OD:EH-IDTBR类型的器件都没有“点燃损失”。在黑暗85 ℃加热条件下，PffBT4T-2OD:EH-IDTBR也展现出了较好的稳定性（图3b），EH-IDTBR的器件160小时后展现出了16±4%的损失，而富勒烯体系60小时后效率就损失了73±15%。

图3. a）在光（无紫外光）浸润下器件的长期稳定性; b）在氮气气氛中，85℃下加热的稳定性。图片来源：Adv. Mater.

——总结——

本文展现了非富勒烯体系在有机太阳能电池“点燃损失”这一方面的巨大优势。但是，这是非富勒烯体系的普遍优势，还是只是个例，仍然有待进一步深入研究。

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）：

An Efficient, “Burn in” Free Organic Solar Cell Employing a Nonfullerene Electron Acceptor

Adv. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.201701156