非富勒烯有机太阳电池的器件特性研究
非富勒烯有机受体-共扼聚合物太阳能电池的研究
非富勒烯有机受体-共扼聚合物太阳能电池的研究非富勒烯有机受体/共扼聚合物太阳能电池的研究近年来，太阳能电池作为一种可再生清洁能源的利用方式，备受研究者的关注。
在太阳能电池中，有机聚合物作为可拓展、低成本的替代材料，逐渐取代了传统的无机材料。
而在有机聚合物中，非富勒烯有机受体/共扼聚合物体系因其优异的光电转换性能而备受瞩目。
非富勒烯有机受体/共扼聚合物体系以其高效的电荷传输、宽带隙以及可调制的分子结构等特点，被广泛应用于太阳能电池的研究中。
与传统的有机受体（如富勒烯）相比，非富勒烯有机受体的分子结构更加灵活多样，这使得其在吸光特性和电荷传输过程中具有更高的调控性。
同时，非富勒烯体系具有更大的共轭度、更低的带隙能量以及更好的光电转换效率，因此在太阳能电池中展示出了更好的性能。
与非富勒烯有机受体相结合的共扼聚合物是另一个关键因素。
共扼聚合物作为电子传输材料，能够提供更多的电子传输通道，从而有效提高太阳能电池的光电转换效率。
此外，共扼聚合物的添加还可以调控太阳能电池的膜形态，在形成连续的电荷传输通道的同时提高了载流子的迁移率。
在非富勒烯有机受体/共扼聚合物太阳能电池的研究中，除了合适的材料选择外，界面性质的优化也是提高效率的关键。
界面性质的优化可以通过调控过程和材料结构的方式来实现。
例如，通过合理的溶剂选择和处理方法，可以在材料之间形成紧密的接触，提高电子传输效率。
此外，界面材料的引入还可以增加电子传输通道的数量，优化载流子的迁移。
在材料的合成和器件工艺的改进上，目前还有一些挑战与瓶颈需要克服。
例如，非富勒烯有机受体的合成方法复杂，制备成本较高，还需要进一步降低材料成本。
此外，器件的稳定性和尺寸的可扩展性也需要进一步改进。
总结起来，非富勒烯有机受体/共扼聚合物太阳能电池的研究展示出了潜在的高效能源转换性能。
在材料的选择、界面性质的优化以及合成工艺的改进等方面，还存在着一些挑战和需求进一步解决。
通过持续的研究和不断的改进，相信非富勒烯有机受体/共扼聚合物太阳能电池将在未来成为一种重要的可再生能源转换技术综上所述，非富勒烯有机受体/共扼聚合物太阳能电池具有潜力成为一种高效的可再生能源转换技术。
非富勒烯有机太阳能电池结构
非富勒烯有机太阳能电池结构
1 简介
非富勒烯有机太阳能电池是近年来研究热点，其光电转换效率高、稳定性好、制备简便等优点得到广泛关注。
本文将对非富勒烯有机太
阳能电池结构进行介绍。
2 电池结构
非富勒烯有机太阳能电池的典型结构为ITO/PEDOT:PSS/active layer/Al。
其中ITO是透明导电氧化物，PEDOT:PSS是聚(3,4-乙烯二
氧噻吩):聚苯乙烯磺酸盐混合物，active layer是由双方共存的给电
子体和受电子体组成的复合材料层，Al是铝薄膜。
3 电池工作原理
光照下，active layer被激发，产生电荷对（正、负电子对）。
电子和空穴被分别输送到Al和PEDOT:PSS，PEDOT:PSS作为向阳极输
送电子的材料，阴极的Al则为接受电子的材料。
此时，电荷对的分离
由电场和各种介体中的离子强度产生的拉力来驱动，从而实现了能量
的转化。
4 功能材料选择
在构筑非富勒烯有机太阳能电池时，选择高性能的给电子体和受
电子体材料非常关键。
目前，著名的给电子体包括PTB7、P3HT，受电
子体包括PCBM、ICBA等。
这些材料在电学性能、形态稳定性、光学吸
收等方面均较为优良。
5 总结
以上就是非富勒烯有机太阳能电池结构的简要介绍，其制备简单，能够在室温下制备，有效地提高了太阳能电池的制备效率。
未来，随
着材料学和电子学基础的不断发展，非富勒烯有机太阳能电池有望成
为新一代高效、环保的太阳能转化技术。
有机太阳能电池阴极界面修饰与三元非富勒烯受体性能的研究
有机太阳能电池阴极界面修饰与三元非富勒烯受体性能的研究有机太阳能电池（OSCs）由于其前所未有的特性而备受关注,相比于无机太阳能电池,有机太阳能电池有着独特的优势,例如重量轻,可折叠性,耐磨性,生物相容性,并且易于混合在曲面上。
然而,相比于无机太阳能电池来说,有机太阳能电池最大的劣势还是效率较低,不利于商业化发展。
因此,本文主要从两个方面来提高有机太阳能电池的效率,一个是改善界面,另一个是利用三元策略提高器件性能。
本文主要利用三个体系的工作来详细阐述:首先,我们将两种富勒烯界面FPNOH和FBPNOH应用于PTB7-Th:PC<sub>71</sub>BM体系中,并通过热退火和溶剂退火两种方式对界面进行处理,基于ZnO为界面的标准器件的效率为8.30%,而退火后的基于富勒烯界面的器件效率都要高于ZnO界面器件,特别是FPNOH富勒烯界面,在经过溶剂退火之后,最高器件效率可以达到10.05%。
说明溶剂退火这种界面处理是非常有效的提升器件效率的一种方式。
其次,为了更加有效的提高器件效率,我们使用了常用的三元策略,我们将强结晶性的小分子RTCN加入到聚合物体系PTB7-Th:N2200中,形成三元全聚合物太阳能电池,RTCN的加入既能拓宽光谱的吸收,也能利用RTCN的强结晶性有效的改善相分离,相比于二元结构3.9%的器件效率,三元全聚合物太阳能电池的最优效率可以达到5.6%。
因此,引入强结晶RTCN作为受体材料,有利于在共混物膜中形成合适的相分离,形成平滑的能量梯度和良好的共混物形态,可以抑制双分子电荷重组,从而导致更有效的电荷产生和传输,最终导致器件效率的明显提升。
最后,为了更好的探究三元全聚合物太阳能电池,我们将基于PDI单元的小分子受体2PDINB加入到聚合物体系PTB7-Th:N2200中,其中N2200是基于NDI单元的聚合物受体,两个平面性很强易于聚集的非富勒烯受体结合却能得到良好的相分离形貌,这为我们后面的研究提供了新的思路。
非富勒烯有机太阳能电池中载流子传输研究
非富勒烯有机太阳能电池中载流子传输研究非富勒烯有机太阳能电池中载流子传输研究摘要：随着对可再生能源需求的日益增长，太阳能电池作为一种绿色能源转换技术备受关注。
非富勒烯有机太阳能电池作为一种重要的新型太阳能电池技术，由于其高效转换效率、低成本制备以及良好的机械柔度等优点，已经成为研究的热点。
本文旨在探讨非富勒烯有机太阳能电池中载流子传输的研究进展，并分析其潜在的应用前景。
1. 引言太阳能电池是一种直接将太阳光能转换为电能的装置，近年来受到了广泛的关注。
传统的太阳能电池主要基于硅材料，虽然效率较高，但制备成本较高，且材料刚性无法满足柔性电子设备的需求。
因此，非富勒烯有机太阳能电池逐渐成为研究的热点之一。
2. 非富勒烯有机太阳能电池的结构与工作原理非富勒烯有机太阳能电池的结构主要由活性层、电极和电解质层组成。
活性层通常由非富勒烯类供体材料和受体材料组成，其中非富勒烯类供体材料具有良好的电子传输性能，而受体材料则对太阳光进行吸收并将光能转化为电能。
光子在活性层中被吸收后，产生电子-空穴对，经过界面化学反应后，分离为自由载流子。
电子和空穴分别在电极中传输，最终形成电流。
3. 载流子传输的研究进展3.1 载流子传输的难点非富勒烯有机太阳能电池的一个主要挑战是提高载流子的传输效率和运输长度。
激发态电子和空穴在活性层中运动过程中会面临许多散射和再组合的过程，这些过程会影响载流子的有效传输。
3.2 载流子传输的改进策略为了提高载流子传输效率，研究人员采取了多种改进策略。
一种常见的方法是通过控制活性层的形貌和晶体结构来减少载流子的复合。
通过添加适量的溶剂和添加剂，可以调节活性层的分子排列和晶界结构，从而优化载流子的传输。
此外，还可以利用添加电子传输材料和空穴传输材料的方法来提高载流子的运输长度。
4. 非富勒烯有机太阳能电池的应用前景非富勒烯有机太阳能电池作为一种新型太阳能转换技术，具有很大的应用前景。
由于其制备成本低、柔性良好以及高效的光能转换效率，非富勒烯有机太阳能电池可以广泛应用于柔性电子设备、光伏一体化建筑以及可穿戴设备等领域。
一个飞速发展的领域：非富勒烯有机太阳能电池受体材料
一个飞速发展的领域：非富勒烯有机太阳能电池受体材料总结与展望有机太阳能电池近几年来得到飞速的发展，无论是富勒烯及其衍生物类还是非富勒烯类有机太阳能电池的PCE均已超过商业化的标准（10%），而相对与富勒烯类有机太阳能电池，非富勒烯类有机太阳能电池的成本更低，吸收更宽，前景更好.之前研究人员对于非富勒烯太阳能电池并不十分重视，研究时所用给体材料基本沿用富勒烯类太阳能电池领域所发展的给体材料，但是近年来，越来越多地研究人员将注意力放在非富勒烯类电子受体材料上，也为针对这类材料发展了响应的给体材料.理论化学家们也将目光投向了非富勒烯OPV这一领域.之前的理论研究更多的局限在带隙、能级差等领域，但是随着计算水平的提高，理論工作者已经开始对形貌进行动力学分析，而形貌优化对提高太阳能电池的效率有显著作用.目前，在基础研究领域，非富勒烯有机太阳能电池的研究热点在于：1）发展新型电子受体材料；2）活性层形貌对电池效率的影响；3）提高载流子分离传输速率；4）过渡层对电池效率的影响；5）卷对卷（rolltoroll）生产模式的应用等.作者认为目前的研究要点在于基于形貌、载流子、过渡层的研究，发展一类合成简单（不超过3步）、符合绿色化学理念的电子受体材料.目前限制非富勒烯有機太阳能电池应用的主要因素为：1）稳定性差.非富勒烯OPV在化学稳定性和光稳定性上的表现尚有提升空间；2）合成步骤多.从上文中可以看到，目前所研究的电子受体材料的结构比较复杂，需要多步合成，成本高，不利于工业生产；3）研究人员少.目前，大量的研究人员将着重点放在发展新型电子给/受体材料，并没有深入思考所研究的给/受体是否拥有工业化前景，仅仅将目标放在实验室条件下制备PCE较高的有机太阳能电池.虽然有种种问题，但是随着科学家们的深入研究，非富勒烯有机太阳能电池的商业化生产大有可为.。
苯并噻二唑芳杂环非富勒烯电子受体材料的合成与表征
苯并噻二唑芳杂环非富勒烯电子受体材料的合成与表征苯并噻二唑芳杂环非富勒烯电子受体材料的合成与表征摘要：近年来，有机太阳能电池作为一种新型的可再生能源技术，吸引了广泛的研究兴趣。
针对此，苯并噻二唑芳杂环非富勒烯材料逐渐成为有机太阳能电池的重要电子受体材料。
本文综述了苯并噻二唑芳杂环非富勒烯材料的合成方法及其在有机太阳能电池中的应用，并探讨了其电子性质的表征方法。
1. 引言有机太阳能电池是一种利用有机半导体材料转换太阳能为电能的新型太阳能电池技术。
与传统的硅太阳能电池相比，有机太阳能电池具有制备工艺简单、材料可塑性高、成本低等诸多优势，因此成为了研究的热点。
2. 苯并噻二唑芳杂环非富勒烯材料的合成方法苯并噻二唑芳杂环非富勒烯材料是有机太阳能电池中常用的电子受体材料。
它具有较高的吸光度、较长的激发寿命和良好的电荷传输特性。
目前合成苯并噻二唑芳杂环非富勒烯材料的方法主要有以下几种：2.1. 串联回应法此方法利用少量的混合物，通过多氯代苯并噻二唑与芳基溴化合物的串联回应，在碱催化下完成合成反应。
这种方法简单高效，得到的产物纯度较高。
2.2. 布洛克反应法该法以芳香胺为底物，经过Diazo活化，并与苯并噻二唑反应得到产物。
此方法适用于产物结构中有大量置换基团存在的情况。
3. 苯并噻二唑芳杂环非富勒烯材料在有机太阳能电池中的应用苯并噻二唑芳杂环非富勒烯材料在有机太阳能电池中作为高效的电子受体材料得到了广泛的应用。
它可以与有机聚合物作为供体材料形成有效的固溶体，从而实现电子的传输和提高器件的光电性能。
此外，它的电荷传输率较高，可以提高电池的填充因子和电子传输率。
这些特性使得苯并噻二唑芳杂环非富勒烯材料成为有机太阳能电池中重要的材料。
4. 苯并噻二唑芳杂环非富勒烯材料的电子性质表征方法为了研究苯并噻二唑芳杂环非富勒烯材料的电子性质，需要对其进行表征。
常用的表征方法包括紫外-可见吸收光谱、荧光光谱、透射电子显微镜和X射线衍射。
非富勒烯有机太阳能电池
非富勒烯有机太阳能电池
非富勒烯有机太阳能电池是一种新型的有机太阳能电池，与传统的富勒烯有机太阳能电池相比，具有更高的光电转换效率和更好的稳定性。
富勒烯有机太阳能电池是目前应用最广泛的有机太阳能电池，其主要原理是利用富勒烯作为电子受体，将太阳能转化为电能。
然而，富勒烯有机太阳能电池存在着一些问题，如光吸收范围窄、电子传输速度慢、稳定性差等。
非富勒烯有机太阳能电池则采用了新型的电子受体材料，如PTB7-Th、PBDTTT-EFT等，这些材料具有更宽的光吸收范围和更好的电子传输性能，从而提高了光电转换效率。
同时，非富勒烯有机太阳能电池还采用了新型的电子给体材料，如ITIC、IEICO等，这些材料具有更好的稳定性和更长的寿命。
非富勒烯有机太阳能电池的研究还处于起步阶段，但已经取得了一些重要的进展。
例如，2018年，中国科学院化学研究所的研究团队报道了一种新型的非富勒烯有机太阳能电池，其光电转换效率达到了12.25%，比传统的富勒烯有机太阳能电池有了显著的提高。
非富勒烯有机太阳能电池具有广阔的应用前景，可以用于太阳能电池板、智能手机、电子书、电子纸等领域。
随着技术的不断进步和研究的深入，相信非富勒烯有机太阳能电池将会成为未来太阳能电
池领域的重要发展方向。
降低非富勒烯有机太阳能电池能量损失的机制和策略
降低非富勒烯有机太阳能电池能量损失的机制和策略非富勒烯有机太阳能电池是一种新型的太阳能电池技术，具有高效转换太阳能为电能的特点。
然而，目前非富勒烯有机太阳能电池存在能量损失问题，限制了其进一步提高光电转换效率的空间。
因此，降低非富勒烯有机太阳能电池能量损失是当前研究的热点和挑战之一。
本文将就此问题进行探讨，分析非富勒烯有机太阳能电池能量损失的机制和提出相应的策略。
一、非富勒烯有机太阳能电池能量损失的机制1.内禀能量损失非富勒烯有机太阳能电池中，内禀能量损失主要由复合态的形成和再分解过程引起。
在光生载流子的扩散和传输过程中，会发生复合态的形成，这一过程是不可逆的，会造成能量损失。
另外，复合态再分解为自由载流子的过程也会导致能量损失。
2.外禀能量损失外禀能量损失主要来自光吸收过程和光电转换过程中的热损失。
在光吸收过程中，由于非富勒烯有机太阳能电池材料的能带结构和光谱响应范围的限制，会导致部分光子被反射或透射，无法被有效吸收，造成能量损失。
而在光电转换过程中，光生载流子的复合过程中会产生热损失，也会导致能量损失。
二、降低非富勒烯有机太阳能电池能量损失的策略1.寻找合适的非富勒烯材料目前，研究者们正致力于开发新型的非富勒烯材料，通过精密的分子设计和合成，寻找合适的非富勒烯材料来减小能量损失。
新型的非富勒烯材料要具有较宽的光谱响应范围和高的光电转换效率，从而提高光吸收和光电转换效率，减小能量损失。
2.优化电极材料和结构优化电极材料和结构是降低非富勒烯有机太阳能电池能量损失的重要策略之一。
合适的电极材料和结构可以增加光生载流子的收集效率和传输效率，减小复合态的形成和再分解过程，从而减小内禀能量损失。
3.提高光电转换效率提高光电转换效率是降低非富勒烯有机太阳能电池能量损失的关键策略之一。
通过优化非富勒烯有机太阳能电池的器件结构和工艺条件，可以提高光生载流子的分离效率和抽取效率，减小外禀能量损失。
4.防止光热损失防止光热损失是降低非富勒烯有机太阳能电池能量损失的有效途径之一。
基于非富勒烯受体的溶液加工型全小分子太阳能电池研究进展
基于非富勒烯受体的溶液加工型全小分子太阳能电池研究进展何畅;侯剑辉【期刊名称】《物理化学学报》【年(卷),期】2018(034)011【摘要】有机太阳能电池(OPV),具有质量轻、可成本低制备等优势,是一种具有实际应用潜力的光伏技术.有机太阳能电池活性层可以由共轭聚合物或溶液可加工的小分子材料(给体与受体)共混组成.由于小分子材料具有明确的分子结构,纯度可控及无批次差别影响的特点;并结合近年来非富勒烯小分子受体的快速发展,使得非富勒烯全小分子(NF-SM-OPV)电池研究受到广泛关注.由于大部分A-D-A型非富勒烯受体分子具有各向异性的特点,这使激子解离和电荷传输,很大程度上受分子间堆积方式的影响,导致非富勒烯全小分子电池活性层形貌调控更加复杂.虽然非富勒烯小分子太阳能电池具有非富勒烯受体材料和小分子材料的双重优势,但高效率非富勒烯小分子太阳能电池的制备,仍具有很大挑战.因此,本文总结近年来高性能非富勒烯小分子太阳能电池的相关进展.着重介绍针对非富勒烯受体的给体小分子材料设计工作,并在此基础上近一步讨论非富勒烯小分子太阳能电池面临的挑战与展望.【总页数】9页(P1202-1210)【作者】何畅;侯剑辉【作者单位】中国科学院化学研究所,高分子物理与化学国家重点实验室,北京分子科学国家实验室,北京100190;中国科学院化学研究所,高分子物理与化学国家重点实验室,北京分子科学国家实验室,北京100190【正文语种】中文【中图分类】O646【相关文献】1.含萘并二噻吩小分子受体材料的带隙调控及其在非富勒烯太阳能电池中的应用[J], 张美琪;马云龙;郑庆东2.基于二噻吩并吡咯π桥的窄带隙非富勒烯受体材料在有机太阳能电池中的应用[J], 张小梅;李淼淼;王琪;江宇;耿延候3.含有π桥的非富勒烯小分子受体的研究 [J], 潘慧; 夏养君4.基于非富勒烯电子受体的半透明有机太阳能电池 [J], 刘柏侨;许韵华;夏冬冬;肖承义;杨兆凡;李韦伟5.基于非富勒烯受体的下一代有机太阳能电池 [J],因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
基于分子内非共价相互作用的非富勒烯受体材料的设计、合成与性能表征
基于分子内非共价相互作用的非富勒烯受体材料的设计、合成与性能表征基于分子内非共价相互作用的非富勒烯受体材料的设计、合成与性能表征随着太阳能电池技术的不断发展，有机太阳能电池作为一种潜在的清洁、可再生能源解决方案受到了广泛关注。
传统有机太阳能电池中使用的电子受体为富勒烯材料，如C60和PCBM。
然而，富勒烯材料的合成和后处理工艺复杂，且其光电转换效率有一定的限制。
因此，寻找新型的非富勒烯电子受体材料成为了有机太阳能电池研究领域的热点之一。
在过去的几年中，大量的研究工作已经集中在设计、合成和性能表征基于分子内非共价相互作用的非富勒烯受体材料上。
这种材料设计思路通过合理地设计分子结构和引入特定的非共价相互作用来提高材料的光电特性。
这些非共价相互作用包括π-π堆积作用、氢键作用、范德华力等。
首先，设计和合成非富勒烯受体材料的关键是选择合适的官能团和芳香环结构。
一些主要的官能团包括：巯基，硝基，卤素等。
这些官能团可以调控分子的光电性能和溶解度。
而在芳香环结构方面，不同的环数和取代基，可以影响分子的π-π堆积作用和电子传输性能。
其次，合成非富勒烯受体材料的方法也是至关重要的。
传统的方法包括羧酸催化的C-C键偶联反应、Pd催化的偶联反应等。
这些方法虽然能够合成高效的非富勒烯受体材料，但是合成工艺复杂且产率低。
因此，需要开发新的高效、可控的合成方法来获得理想的非富勒烯受体材料。
最后，对非富勒烯受体材料的性能进行表征是评估其应用潜力和进一步优化的关键。
常用的表征方法包括紫外可见吸收光谱、荧光光谱、循环伏安图、电化学阻抗谱等。
这些表征技术可以提供关于材料的吸收光谱、能带结构、电子迁移和光电转换效率等重要信息。
总之，基于分子内非共价相互作用的非富勒烯受体材料的设计、合成和性能表征是有机太阳能电池研究中的重要研究方向。
通过合理的设计和合成方法，以及精确的性能表征，可以帮助我们开发出高效、稳定的非富勒烯受体材料，为有机太阳能电池的应用提供新的可能性综上所述，选择合适的官能团和芳香环结构是合成非富勒烯受体材料的关键。
《基于Y6衍生物非富勒烯基有机太阳能电池热稳定性研究》范文
《基于Y6衍生物非富勒烯基有机太阳能电池热稳定性研究》篇一一、引言随着科技的进步和环保理念的普及，可再生能源的开发与利用日益受到重视。
其中，有机太阳能电池（Organic Solar Cells, OSC）因其具有轻质、可弯曲、成本低廉等优势，近年来受到了广泛的关注。
非富勒烯基有机太阳能电池（Non-fullerene Organic Solar Cells）以其更高的能量转换效率和良好的热稳定性成为研究的热点。
本篇论文主要研究基于Y6衍生物的非富勒烯基有机太阳能电池的热稳定性，探讨其性能与稳定性之间的关系。
二、文献综述近年来，非富勒烯基有机太阳能电池的研究取得了显著的进展。
其中，Y6衍生物因其良好的光电性能和稳定性，被广泛应用于此类太阳能电池中。
然而，其热稳定性仍需进一步研究。
目前，国内外学者对非富勒烯基有机太阳能电池的热稳定性进行了大量研究，包括材料设计、器件结构优化等方面。
这些研究为提高太阳能电池的热稳定性提供了理论依据和实践经验。
三、研究内容本研究以Y6衍生物为研究对象，通过制备基于Y6衍生物的非富勒烯基有机太阳能电池，对其热稳定性进行深入研究。
具体包括以下几个方面：1. 材料选择与合成本实验选择Y6衍生物作为关键材料，对其进行合成和表征。
采用紫外可见光谱、电化学性能测试等方法对Y6衍生物的物理化学性质进行评估。
2. 器件制备与性能测试采用适当的制备工艺，将Y6衍生物与其他关键材料组合，制备成非富勒烯基有机太阳能电池。
通过J-V曲线、EQE等测试手段，评估太阳能电池的光电性能。
3. 热稳定性研究对制备的太阳能电池进行热稳定性测试，包括高温环境下的性能变化、热失重等实验。
通过对比实验结果，分析Y6衍生物在高温环境下的稳定性及对太阳能电池性能的影响。
四、实验结果与讨论1. 材料表征结果通过紫外可见光谱、电化学性能测试等手段，发现Y6衍生物具有良好的光电性能和化学稳定性，适合用于制备非富勒烯基有机太阳能电池。
基于三元非富勒烯体系的高效有机太阳能电池
基于三元非富勒烯体系的高效有机太阳能电池*周朋超1) 张卫东2) 顾嘉陆1) 陈卉敏1) 胡腾达1)蒲华燕1) 兰伟霞1)† 魏斌1)1) (上海大学机电工程与自动化学院, 上海 200444)2) (上海交通大学电子信息与电气工程学院微米/纳米加工技术国家级重点实验室, 上海 200240)(2020 年4 月27日收到; 2020 年5 月28日收到修改稿)有机材料的“窄吸收”特性制约了有机太阳能电池(OPVs)性能的进一步突破, 二元体异质结薄膜难以实现对太阳能的有效宽光谱利用. 三元OPVs在二元体系中引入吸收互补的第三组分, 能够增强器件光吸收,实现光电转化效率的大幅提升. 近年来, 非富勒烯受体材料的飞速进展, 多次刷新有机太阳能电池最高效率记录, 丰富并扩展了三元受体材料的选择范围. 本文以非富勒烯受体材料Y6作为第三组分材料, 高效率非富勒烯太阳能电池PBDB-T-2F: IT-4F作为基础二元器件, 研究并分析了以双非富勒烯材料为受体的三元有机太阳能电池工作机理. 通过光电特性分析, 发现Y6的引入不仅能够增强器件近红外区域的光吸收能力, 而且能够有效抑制双分子复合, 提高电荷取出率, 从而提高器件能量转换效率. 通过调节Y6在三元体系中的质量百分比, 在Y6占比为20 wt%时, 器件实现最高的能量转换效率12.48%, 相比于基础二元器件(10.59%)实现了17.85%的性能提升.关键词：有机太阳能电池, 三元体系, 非富勒烯受体, 高效率PACS：88.40.jr, 88.40.H–, 85.60.–q, 73.50.Pz DOI: 10.7498/aps.69.202006241 引 言与传统硅基太阳能电池相比, 有机太阳能电池(organic photovoltaics, OPVs)制造成本低、材料来源广、制备工艺简单, 具有轻量、柔性、超薄、透明等优势, 便于运输以及灵活部署, 尤其可通过价格低廉的印刷工艺生产大面积柔性器件, 已经成为光伏产业中最具潜力的发展方向之一[1−4]. 传统OPVs由聚合物给体和富勒烯受体共混作为光吸收活性层, 但由于富勒烯受体材料吸光能力较弱且带隙可调控性差, 导致器件能量转换效率较低[5−7].与富勒烯受体相比, 非富勒烯受体材料的结构差异大, 带隙可调节空间大, 在光谱吸收、能级调控以及光化学稳定性等方面均表现出巨大的优势.自2015年Zhan等[8,9]报道了非富勒烯受体材料ITIC以来, 基于非富勒烯受体材料的OPVs器件效率不断取得突破. 2017年Hou等[10−12]开发了新型非富勒烯受体材料IT-4F, 并实现有机太阳能电池效率首次突破13%. 2019年Zou等[13]报道了新型窄带隙受体Y6, 基于Y6的OPV器件实现了超过15%的能量转换效率. 随着研究的不断深入,非富勒烯有机太阳能电池展现出巨大的商业应用价值, 然而目前所达到的器件效率仍不足以满足商业化应用的要求, 如何进一步提升OPVs器件的性能是当前的研究热点之一[14]. 除了设计新型给体/受体材料外, 界面修饰、串联器件及三元体系也是提升OPVs性能的有效方法[15−21].* 国家自然科学基金重大研究计划(批准号: 91748116)和国家自然科学基金青年科学基金项目(批准号：62005152)资助的课题.† 通信作者. E-mail: weixia_lan@© 2020 中国物理学会 Chinese Physical Society 通过在二元体系中引入吸收互补的第三组分形成的三元OPVs器件, 能够有效增强器件光吸收能力, 从而实现光电转化效率的大幅提升[22]. 2017年, Peng课题组以PBDB-T和PTB7-Th作为双给体, 与SFBRCN受体材料共混, 利用分子间能量转移, 实现了高效率三元OPVs器件, 器件能量转化效率达到12.27%[23]. 2018年, Ge课题组把ITCN加入PBDB-T: ITIC体系中, 通过三者阶梯状的能级匹配, 器件的能量转换效率(power conversion efficiency, PCE)达到了12.16%[24]. 2019年, Chen等[25]以PBDB-T为给体, ITIC及其衍生物ITIF作为双受体, 通过光谱互补得到了PCE为10.53%的高效率OPVs器件. 近年来报道的高效率非富勒烯受体材料扩展了OPVs受体材料的选择范围, 而如何将新材料更好地结合在一起制备更高效率的三元OPVs同样受到科研工作者极大关注.本文在前人研究的基础上发现非富勒烯受体材料Y6和IT-4F在300—1000 nm范围内具有较好的光吸收互补特性, 因此首次提出以Y6和IT-4F作为双受体材料并成功制备了高效率三元OPV器件. 以非富勒烯受体材料Y6作为第三组分, 引入到以PBDB-T-2F: IT-4F为活性层的二元体系中, 制备了吸收光谱互补的三元OPVs器件.系统研究了第三组分Y6对OPVs器件效率的影响, 通过优化第三组分Y6在活性层中的占比, 实现PCE最高达到12.48%, 相比于二元结构(PCE 值为 10.59%), 效率提升达17.85%.2 实验方法2.1 器件制备活性层溶液配制: 以氯苯为溶剂, 给体材料和受体材料的质量比为1∶ 1, 总浓度为20 mg/mL,以体积分数为0.5%的DIO作为添加剂, 在50℃下搅拌过夜. Y6作为本实验的第二受体材料, 其在总受体材料中的质量分数分别为0, 10%, 20%和30%.本实验采用旋涂和真空蒸镀相结合的方法制备OPVs器件. 图案化导电ITO玻璃基板依次放入去污粉、去离子水、丙酮、异丙醇溶剂里超声30 min, 保存在干净异丙醇溶液中, 留待器件制备.将清洗干净的ITO玻璃在钨灯下烤干; 随后将该基板放入紫外-臭氧灯下处理15 min, 用以增加表面亲水性并提高ITO电极的功函数, 有利于器件内各层的能级匹配, 促进空穴的提取; 之后在基板上旋涂PEDOT: PSS溶液, 并以3000 rpm速度旋转60 s, 用以制备空穴提取层; 完成旋涂后立刻将整个基板放在130 ℃的退火台上退火20 min,以提高空穴提取层薄膜的成膜性能; 退火完成后将基板转移到充满氮气的手套箱中, 手套箱内水氧含量均控制在0.01 ppm以下; 在手套箱内旋涂提前配置好的活性层溶液PBDB-T-2 F:IT-4 F:Y6(x%), x为Y6在总受体材料中的质量占比, 分别为0, 10%, 20%, 30%, 活性层完成旋涂后需在110 ℃的退火台上退火10 min, 之后旋涂ZnO溶液并退火,最后转移至真空蒸镀舱内, 蒸镀100 nm厚度的金属电极Ag; 蒸镀过程中腔体真空度保持在5.0 ×10–4 Pa以下.2.2 器件表征OPVs器件在光照状态和暗态下的电流密度-电压曲线均由Keithley 2400Source-Measuring Unit 测得, ABET公司的标准太阳光模拟器(Sun 3000)提供光强为AM 1.5G(100 mW/cm2)的标准光源; 外量子效率(external quantum efficiency, EQE)光谱则由7-STAR Co公司的7-SCSpec 太阳能电池测试系统获得. 紫外分光光度计(UV-Visspectrophotmeter, U-3900H, Hitachi)用于表征薄膜吸收谱, 原子力显微镜(AFM, Nanonavi SPA-400SPM, Japan)用于表征加入不同比例Y6后活性层薄膜形貌. 掠入射小角度X线散射(GISAXS)测试在上海光源同步辐射中心完成.3 结果与讨论二元体系OPVs器件能量转换效率较低的一个主要原因是活性层给体/受体材料吸收光谱较窄, 导致二元共混体异质结吸收谱对太阳光谱的覆盖率较低. 因此, 在制备三元体系OPVs器件之前首先应考虑三元体系下活性层吸收光谱的变化.图1(a)展示了本文所用三元体系中各材料本身的吸收光谱, 发现Y6的加入可以有效弥补PBDB-T-2F和IT-4F材料在800 nm以上近红外区域光吸收能力. 将不同质量占比的Y6引入到PBDB-T-2F:IT-4F二元体系中, 观察薄膜在可见光-近红外范围内吸收光谱的变化. 如图1(b)所示, 各薄膜吸收光谱都在632 nm 和736 nm 处存在吸收峰值, 分别对应于薄膜主体材料PBDB-T-2F 和IT-4F 材料吸收峰值[26]. 由于 Y6在近红外区域较强的光吸收能力[13], 随着加入Y6质量占比的提升,三元薄膜在800 nm 以上近红外区域吸收能力明显增强, 同时因为IT-4F 质量占比的减少, 薄膜在736 nm 吸收峰依次下降. 因此, 随着三元组分Y6的质量占比的增大, PBDB-T-2F: IT-4F:Y6(x %)三元体系薄膜的光谱覆盖能力提升, 但同时存在IT-4F 对应的吸收峰值下降的现象. 图1(c)则测试了不同Y6占比情况下的活性层薄膜的光致发光光谱(PL), 由图可以看出, 在365 nm 激发光源激发的情况下, 三元薄膜并未形成强烈的光致发光峰, 说明活性层薄膜内给体与受体之间存在较好的能量传递, 造成激子的快速解离, 从而抑制光致发光过程. 另外, 与加入第三组分Y6的薄膜相比, PM6: Y6二元体系薄膜中存在650—700 nm之间较为明显的波峰, 而加入第三组分Y6后波峰消失, 说明Y6的加入有利于薄膜内激子解离及能量传递过程.除了吸收光谱变化以外, 薄膜表面的粗糙度也是影响OPVs 器件性能优劣的一个重要因素, 因此我们采用原子力显微镜(AFM)观察不同Y6质量占比情况下PBDB-T-2F: IT-4F: Y6(x %)三元体系薄膜的表面形貌, x 值分别为0, 10, 20和30. 如图2所示, PBDB-T-2F: IT-4F 二元体系薄膜本身具有较好的形貌特征, 粗糙度均方根(Rq )值为1.25 nm, 随着Y6质量占比依次从10%增大到20%、30%, 薄膜Rq 值, 分别从1.63 nm 上升到,1.76 nm 和3.69 nm. AFM 结果表明, Y6质量占比超过20%时, Y6与PBDB-T-2F: IT-4F 不具备良好的兼容性, 不利于激子解离和电荷传输.表面自由能作为薄膜表面特性之一, 对薄膜的多种物理化学性能及界面反应均有重要影响[11].在OPV 器件中, 活性层薄膜表面自由能大小主要影响活性层与缓冲层之间介面接触及自由电荷传输过程, 对最终器件性能具有较大影响. 本文通过测量水和乙二醇液滴的接触角计算出PM6、Y6、IT-4 F 三种薄膜的表面自由能. 如图3所示, PM6和IT-4 F 薄膜的表面自由能大小分别为55.45 mN/m 和44.21 mN/m, 而第三组分Y6的自由能仅为28.72 mN/m, 与二元体系中两种材料差距较大.表面自由能的大小一定程度上影响三元体系薄膜成膜后的结晶化程度并最终对器件效率造成影响.因此, 我们进一步研究了不同Y6质量占比对三元薄膜表面自由能的影响效果. 图4展示了不同三元薄膜对应的水接触角大小. 随着Y6质量占比从0,10%, 20%到30%逐渐增加的过程中, 活性层对应水接触角略有变化, 分别为100.5°、101.5°、102.5°和104.5°. 水接触角的变化表明对应薄膜表面润湿Wavelength/nmN o r m o l i z e d a b s o r p t i o nWavelength/nmN o r m o l i z e a b s o r p t i o nWavelength/nm1.21.00.80.60.40.20P h o t o l u m i n e s c e n c e图 1 (a) PBDB-T-2F 、IT-4F 、Y6薄膜吸收谱及不同Y6质量占比下PBDB-T-2F:IT-4F:Y6 (xwt%) 三元体系薄膜的(b)吸收光谱图和(c)光致发光光谱Fig. 1. (a) Absorption spectra of PBDB-T-2F, IT-4Fand Y6. (b) Absorption spectra and (c) photoluminance spectra of blended films with different concentrations of Y6.性以及表面自由能的变化. 接触角测试结果表明三元组分Y6的加入未造成活性层润湿性的显著变化, 对器件性能的影响有限.分别制备不同Y6质量占比下的三元体系OPVs 器件. 器件A 、器件B 、器件C 和器件D 对应的Y6占比0%、10%、20%和30%. 图5(a)为器件结构示意图, 图5(b)为对应的能级图. 器件结构为ITO/PEDOT:PSS/PBDB-T-2F:IT-4F:Y6 (x %)/ZnO/Ag (100 nm). 具体的器件参数见表1, 相关的J-V 曲线见图6. 结合图6和表1可以看出, 引5.6 nm-5.7 nm 7.9 nm-8.9 nm6.2 nm-6.9 nm 17.5 nm-20.4 nm(a)(b)(c)(d)图 2 活性层AFM 图像, 其中Y6质量占比分别为 (a) 0, (b) 10%, (c) 20%和(d) 30%Fig. 2. AFM images measured for active layer with different concentrations of Y6 (a) 0%, (b) 10%, (c) 20%, and (d) 30%.89.7O75.4O73.1O33.2OWaterWaterWaterEGEGEGPM6s 50.45 mN/mY6s 28.72 mN/mIT -4Fs 44.21 mN/m(a)(b)(c)图 3 各组分薄膜水和乙二醇液滴接触角及对应表面自由能大小, (a) PM6, (b) Y6, (c) IT-4FFig. 3. Contact angles and corresponding surface free energies of (a) PM6, (b) Y6, (c) IT-4F.(a)(b)100.5O 101.5O(c)(d)102.5O 104.5O图 4 活性层薄膜水接触角测试, 其中Y6质量占比分别 (a) 0, (b) 10%, (c) 20%和(d) 30%Fig. 4. Water contact angle photographs measured for active layer with different concentrations of Y6 (a) 0%, (b) 10%, (c) 20%,and (d) 30%.入三元组分Y6后, 器件效率明显高于二元基础器件A, 且随着Y6质量占比的逐渐增高, OPVs 器件PCE 性能呈现先上升后下降的趋势. 当Y6质量占比为20%时, 器件PCE 最高为12.48%, 相比二元基础器件(PCE 为10.59%), PCE 提升幅度达17.85%. 然而当Y6质量占比继续上升至30%时, 器件效率反而下降至11.82%, 这可能是由于活性层表面粗糙度增加造成的, 活性层表面粗糙度的增加会对界面激子解离及电荷传输过程造成阻碍[27].表 1 各OPVs 器件性能表Table 1. Photovoltaic parameters of different devices.Device V oc /V J sc /(mA·cm –2)FF /%PCE /%Device A 0.8220.4965.2210.59Device B 0.8220.7665.2111.05Device C 0.8322.0968.4512.48Device D0.8221.6366.4311.82为了研究器件效率提升的原因, 首先测试了器件外量子效率(external quantum efficiency, EQE)曲线, 如图7所示. 由EQE 曲线可以看出, 随着Y6在三元体系薄膜占比的提高, 器件在波长500 nm 附近和800 nm 以上近红外区域均存在逐渐增强的EQE 响应度, 而在700 nm 附近的EQE 响应度逐渐减小. 值得注意的是, 由前文图1(c)可以看出, 与加入第三组分Y6的活性层薄膜相比,二元活性层薄膜在700 nm 附近具有明显的PL 峰, 表明其在该范围内具有相对差的能量传递及激子解离效率. 而EQE 结果表面随着Y6质量占比的提高, 器件EQE 在700 nm 附近响应度反而逐渐下降, 这是由于IT-4F 的吸收峰值在700 nm 附近, 而随着其在三元薄膜中的质量占比减少, 薄膜在该范围内光吸收能力降低而造成的. 同时, 由于Y6在500 nm 和近红外区域存在较强的吸收峰, 随着Y6质量占比的提高, 对应区域存在逐渐-4.71-5.10-3.56-4.10-4.14-4.20-7.20-5.66-5.70-5.50-4.30I T OP E D O T :P S S P B D B -T -2FY 6I T -4FZ n OA g(b)A lBC PP E D OT : P SSI T OP B D B -T -2F :I T -4F :Y6(x %)(a)图 5 (a)器件结构图; (b) OPVs 器件内每一层独立能级图Fig. 5. (a) Schematic illustration of the device configuration, (b) energy diagram of individual layer in OPVs.Voltage/VC u r r e n t d e n s i t y /m A S c m -2图 6 OPVs 器件的J-V 曲线图Fig. 6. J-V curves of OPVs devices.Wavelength/nmE Q E /%图 7 各器件对应EQE 曲线Fig. 7. EQE curves of OPVs device.增强的EQE 响应度. 结合薄膜PL 谱与对应器件EQE 响应曲线可以看出, 三元体系活性层光吸收能力的增强是器件性能提升的主要原因.同时研究了Y6的引入对器件电学性能的影响, 我们测试了光生电流密度-有效电压曲线(J ph -V eff )以及对应的激子解离率曲线(P (E, T )), 其中J ph 为器件在光照下的电流密度与暗电流密度之差, 有效电压V eff 为外加偏压与内建电压的差值, E 为电场强度, T 为环境温度. 由于有机半导体材料本身较强的激子结合能, 活性层内的光生激子并不能全部解离为自由电荷, 激子解离率的高低是决定短路电流大小的重要因素之一. 由图7(b)可以看出, 加入少量Y6 (< 20% )的三元体系器件P(E, T)值与基础二元器件值无明显变化, 但当Y6质量占比继续增加时(30%), 对应的P(E, T)值有明显下降趋势. 该趋势与之前AFM 表征薄膜形貌结果一致, 即当Y6质量占比达30%时, 其表面粗糙度过大, 最终造成活性层与电荷提取层界面处激子解离和电荷传输能力的降低, 也是导致器件D 效率低于器件C 的主要原因.J sc ∝I α为了进一步研究器件内部载流子复合机制, 研究了不同器件短路电流J sc 随不同光强的变化趋势, 如图8所示. J sc 与光强(I )之间存在指数关系 , 指数a 与器件内部的载流子双分子复合程度密切相关[28]. 影响电荷复合和收集效率的因素主要包括空间电荷积累和复合以及电子/空穴迁移率不平衡等. 当器件内部电荷收集效率较高时,几乎所有的光生载流子都能在复合前被收集时,a 值将趋近1. 由图8(a)可以看出, 三元体系器件(器件B, 器件C 和器件D)的a 值明显高于二元体系, 这表明Y6引入可以有效抑制载流子双分子复合, 有利于提高器件的电荷收集效率.另外, 通过监测开路电压V oc 与光强的变化趋势, 可以进一步了解器件内的载流子复合过程.V oc 与光强之间存在对数关系:其中, k 是普朗克常量, T 是温度, q 是单位电荷量.如果电荷复合过程以单分子复合(缺陷态)过程为主, V oc -ln I 曲线的斜率将接近2kT/q , 当曲线斜率接近kT/q 时, 表明双分子复合是器件内部电荷复合的主要复合机制. 降低缺陷态复合损耗对于提高器件的性能具有重要意义[16]. 对V oc 和光强取对数并进行线性拟合, 其斜率值s 在kT /q 和2kT /q 之间, 由图8(b)可以看出, 器件A—D 对应的s 值分别为1.09kT /q , 1.43kT /q , 1.39kT /q 和1.71kT /q ,说明Y6质量占比的提高有效降低了器件内部的双分子复合损耗, 有利于器件性能的提升. 然而当Y6质量占比达到30%时, 活性层与电荷提取层界面处缺陷态复合增加, 导致器件电荷输运能力降低, 最终器件性能与20%器件相比有所下降.最后, 利用GISAXS 技术再次表征不同Y6质量占比对薄膜给体/受体相分离的影响. 各薄膜的二维GISAXS 图像及其在面内方向的一维信息如图9和图10所示. 相比二元薄膜, 引入Y6之后的三元薄膜q 区散射强度明显增强, 散射强度的上升表明薄膜内存在大尺寸结构, 而大尺寸结构则源于10-210-1100eff /V101100p h /m A S c m -210-210-1100eff /V10010-110-2( ,)图 8 各器件对应 (a)光生电流密度与有效电压以及(b)对应的激子解离率与有效电压曲线(T = 300 K)Fig. 8. (a) The photcurrent density (J ph ) versus the effect-ive voltage (V eff ) and corresponding (b) exciton dissoci-ation probility (P (E, T )) versus V eff of OPVs devices (T =300 K).活性层内材料的聚集结晶, 其结果与前文AFM 表征结果一致[29]. 活性层中过大的聚集结晶, 减小了给受体间接触面积的同时, 增大了电荷传输的难度, 不利于器件效率的提升.Light intensity/mW S cm -2Light intensity/mW S cm -22015105 s c /m A S c m -2o c /V0.760.780.800.82图 9 器件A—D 对应的 (a) J sc 随入射光强的变化曲线, (b) V oc 随入射光强的变化曲线Fig. 9. (a) J sc and (b) V oc as function of incident light intensity for the devices A, B, C, and D.0200400600800100012001400Columns14001300120011001000900100101102103104105Intensity200400600800100012001400Columns14001300120011001000900100101102103104105Intensity0200400600800100012001400Columns14001300120011001000900100101102103104105Intensity 0200400600800100012001400Columns 14001300120011001000900100101102103104105Intensity0.20.40.60.8 1.0/nm -1103102101I n t e n s i t y0%10%20%30%(e)图 10 (a)−(d)掺入不同质量占比的Y6后三元混合薄膜二维GISAXS 图像和(e)相应的面内方向的一维曲线Fig. 10. (a)−(d) GISAXS images of blended ternary films with different concentration of Y6, and (e) corresponding in-plane profile.4 总 结本文中, 我们将非富勒烯受体材料Y6作为第三组分添加到PBDB-T-2F:IT-4F体异质结中制备了三元有机太阳能电池. Y6的引入扩展了器件吸收光谱的范围, 使器件在300 nm至950 nm的较宽范围内具有较强的光吸收能力, 有利于器件性能的提升. 此外, 实验结果显示Y6的引入可以有效抑制载流子复合, 有利于提高器件的电荷收集效率. 通过调节Y6比例发现, Y6质量占比为20%的三元有机太阳能电池器件具有最高的能量转换效率, 达到了12.48%, 与基础二元器件(10.59%)相比, 实现了17.85%的性能提升. 本文工作表明,在双非富勒烯三元有机太阳能电池构建中, 不仅仅需要考虑材料吸收光谱的互补特性, 器件内部能量转移及载流子复合损耗也是影响器件性能的重要因素.参考文献X ie J, Wang X, Wang S, Ling Z, Lian H, Liu N, Liao Y, Yang X, Qu W, Peng Y, Lan W, Wei B 2019 Org. Electron.75 105381[1]S ekine C, Tsubata Y, Yamada T, Kitano M, Doi S 2014 Sci.Tech. adv. Mat. 15 1468[2]X u X P, Zhang G J, Li Y, Peng Q 2019 Chin. Chem. Lett. 30 809[3]H uang L Q, Zhou L Y, Yu W, Yang D, Zhang J, Li C 2015Acta Phys. Sin. 64 26 (in Chinese) [黄林泉, 周玲玉, 于为, 杨栋, 张坚, 李灿 2015 物理学报 64 26][4]G arcia A, Welch G C, Ratcliff E L, Ginley D S, Bazan G C,Olson D C 2012 Adv. 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Sin. 65 028801 (in Chinese) [金士琪, 徐征, 赵谡玲, 赵蛟, 李杨, 邓丽娟 2016 物理学报 65 028801][20]X u Z H, Chen W B, Ye W Q, Yang W F 2014 Acta Phys.Sin. 63 218801 (in Chinese) [许中华, 陈卫兵, 叶玮琼, 杨伟丰2014 物理学报 63 218801][21]X u L X, Li C, Hao X T, Gao K 2019 Phys. Lett. A 383 126001[22]X u X P, Bi Z Z, Ma W, Wang Z S, Choy W C H, Wu W L, Zhang G J, Li Y, Peng Q 2017 Adv. Mater. 29 1704271 [23]J iang W G, Yu R N, Liu Z Y, Peng R X, Mi D B, Hong L, Wei Q, Hou J H, Kuang Y B, Ge Z Y 2018 Adv. Mater. 30 1703005[24]L v R Z, Chen D, Liao X F, Chen L, Chen Y W 2019 Adv.Funct. Mater. 29 1805872[25]A n Q S, Ma X L, Gao J H, Zhang F J 2019 Sci. Bull. 64 504[26]C hen M, Liu D, Li W, Gurney R S, Li D, Cai J, Spooner E LK, Kilbride R C, McGettrick J D, Watson T M, Li Z, Jones R A L, Lidzey D G, Wang T 2019 ACS Appl. Mater.Interfaces 11 26194[27]S treet R A, Davies D, Khlyabich P P, Burkhart B, ThompsonB C 2013 J. Am. Chem. Soc. 135 986[28]B i P, Xiao T, Yang X, Niu M, Wen Z, Zhang K, Qin W, So SK, Lu G, Hao X, Liu H 2018 Nano Energy 46 81[29]Dual non-fullerene acceptors based high efficiencyternary organic solar cells*Zhou Peng -Chao 1) Zhang Wei -Dong 2) Gu Jia -Lu 1) Chen Hui -Min 1) Hu Teng -Da 1) Pu Hua -Yan 1) Lan Wei -Xia 1)† Wei Bin 1)1) (School of Mechatronic Engineering and Automation, Shanghai University, Shanghai 200444, China)2) (National Key Laboratory of Science and Technology on Micro/Nano Fabrication,Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)( Received 27 April 2020; revised manuscript received 28 May 2020 )AbstractOrganic photovoltaics (OPVs) have been considered as one of the preliminary candidates for the third-generation solar cells due to their particularly advantages, such as light-weight, low cost, solution processability and mechanical flexibility. In recent years, the power conversion efficiency (PCE) of OPVs has achieved remarkable progress with the development of non-fullerene acceptors (NFAs), which exhibit stronger capability of light absorption and stability than the fullerene acceptors. However, the narrow absorption properties of organic materials still restrict the further breakthrough of the performance of OPVs. It is difficult for the binary heterojunction films to realize the effective wide spectrum utilization of solar energy. Ternary strategy, which consists of one donor and two acceptors or two donors and one acceptor in a bulk-heterojunction, has proven to be an effective and facile way to enhance performances of OPVs. The emergence of new NFAs such as ITIC, IT-4F, Y6 etc. greatly increases the selectivity of acceptors in a ternary system. It is necessary to investigate the compatibility of latest NFA materials and corresponding ternary device performance.In this article, we report a new ternary OPV system with dual NFAs and a polymer donor. The excellent NFA material (Y6), which was first reported in 2019, is used as the third component. Different concentrations of Y6 are introduced into the binary system based on PBDB-T-2F:IT-4F. The compatibility between materials and device performances are investigated through absorption capability of blend films, AFM, water contact angle, GISAXS, and corresponding electrical properties of devices. The 12.48% PCE is achieved from ternary OPVs with PBDB-T:IT-4F as the active layers containing 20wt% Y6 in acceptors, resulting from the enhanced J sc of 22.09 mA/cm2, V oc of 0.83 V and FF of 68.45%. The origin of the improvement of the ternary OPVs is summarized below. Firstly, an apparently complementary absorption spectrum is obtained through the introduction of Y6, which has a stronger photo harvesting capability in the spectral range from 750 to 950 nm than IT-4F, and higher short current density (J sc) is observed in the ternary devices than in the binary device. Secondly, a rougher surface of the active layer is observed by increasing the Y6 concentration, which may result in an inferior exciton dissociation and charge transport process, the existence of larger-scaled crystal is proved by the GISAXS technology. Thirdly, the introduced Y6 can help to suppress the bimolecular recombination, which is in favor of the incremental device performance. Approximately 17.85% PCE improvement is obtained in comparison with PBDB-T-2F:IT-4F based binary OPVs.Keywords: organic photovoltaics, ternary OPVs, non-fullerene accepter, high efficiencyPACS: 88.40.jr, 88.40.H–, 85.60.–q, 73.50.Pz DOI: 10.7498/aps.69.20200624* Project supported by the Major Research Plan of the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 91748116) and the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 62005152).† Corresponding author. E-mail: weixia_lan@。
《基于Y6非富勒烯受体光伏和忆阻器件界面问题及性能优化研究》
《基于Y6非富勒烯受体光伏和忆阻器件界面问题及性能优化研究》篇一基于Y6非富勒烯受体光伏与忆阻器件界面问题及性能优化研究一、引言随着科技的不断进步，非富勒烯受体光伏器件以及忆阻器件作为新一代电子设备的重要组成部分，在光电器件领域的应用日益广泛。
Y6非富勒烯受体材料因其独特的光电性能和低成本特性，在光伏器件中展现出巨大的应用潜力。
然而，其在与忆阻器件界面结合过程中仍存在诸多问题，制约了器件整体性能的发挥。
本文将重点研究基于Y6非富勒烯受体的光伏和忆阻器件的界面问题，并提出相应的性能优化策略。
二、Y6非富勒烯受体光伏器件概述Y6非富勒烯受体光伏器件以其高效率、低成本、环境友好等优点受到广泛关注。
Y6材料在光伏器件中的应用，极大地提高了光电转换效率。
然而，在实际应用中，Y6材料与其它材料之间的界面问题成为制约其性能发挥的关键因素。
三、界面问题及影响（一）界面能级不匹配Y6材料与其他材料之间的能级不匹配是导致界面问题的重要因素。
这种不匹配会导致电荷传输过程中的能量损失，进而影响光伏器件的效率和稳定性。
（二）界面缺陷和杂质界面处的缺陷和杂质会严重影响电荷的传输和分离，导致光伏器件性能下降。
此外，这些缺陷还可能成为复合中心，进一步降低光电转换效率。
（三）界面化学反应Y6材料与其他材料在界面处可能发生化学反应，形成不利于电荷传输的化合物。
这些化合物会降低光伏器件的性能，甚至导致器件失效。
四、性能优化策略（一）界面工程优化通过界面工程优化，改善Y6材料与其他材料之间的能级匹配，减少能量损失。
同时，通过表面修饰、引入中间层等方法，降低界面处的缺陷和杂质，提高电荷传输效率。
（二）材料选择与改良选择与Y6材料相容性好的其他材料，以改善能级匹配和减少界面反应。
同时，对Y6材料进行改良，提高其与其他材料的相容性，降低界面处的能量损失。
（三）工艺优化通过优化制备工艺，如控制薄膜厚度、改善热处理条件等，降低界面处的缺陷和杂质，提高光伏器件的性能。
基于可溶小分子给体的非富勒烯有机太阳能电池研究
基于可溶小分子给体的非富勒烯有机太阳能电池研究随着能源危机和环境污染问题的日益严重，太阳能作为一种清洁、可再生的能源被广泛关注和研究。
有机太阳能电池作为一种新型的太阳能电池技术，具有简单加工、低成本、可弯曲和透明等特点，被认为是未来太阳能电池技术的重要方向之一。
而非富勒烯有机太阳能电池是有机太阳能电池中的一类重要的构型。
非富勒烯有机太阳能电池的研究起源于富勒烯有机太阳能电池。
在过去的几十年里，富勒烯作为有机太阳能电池的电子受体材料，取得了一系列的突破性进展。
然而，由于富勒烯材料的合成和提纯过程复杂，并且其独特的立体结构限制了其在能带调控和光电性能上的进一步改进，研究人员转而寻找其他替代材料。
非富勒烯材料因其制备简单、多样性丰富、可调节高导能和高吸光性等特点而备受关注。
非富勒烯材料是指除富勒烯之外的其他有机小分子和聚合物材料。
这些材料可以通过化学合成的方法来制备，并且可以根据特定的需求来调节其化学结构和光电性能。
在非富勒烯有机太阳能电池中，这些小分子或聚合物通常充当电子受体的角色，与光伏活性层中的光吸收分子形成电荷转移复合物，从而实现光电转化。
与富勒烯材料相比，非富勒烯材料在能带调控、光吸收效率和电荷传输速率等方面具有一定优势。
例如，非富勒烯材料可以通过调节分子结构和化学修饰来调控其能带结构，从而实现更低的势垒高度和更高的开路电压。
此外，非富勒烯材料通常具有比富勒烯材料更广泛的吸光谱范围和更高的光吸收效率，可以提高太阳能的利用效率。
另外，非富勒烯材料中的有机小分子通常具有更好的可加工性和溶解性，可以实现更好的薄膜形态和界面控制，进一步提高电荷传输速率和光电转化效率。
目前，非富勒烯有机太阳能电池的研究还存在一些挑战。
首先，非富勒烯材料的合成和纯化工艺相对复杂，制约了其在大规模制备和商业化应用上的进一步发展。
其次，非富勒烯材料的性能优化和稳定性问题仍然是一个亟待解决的问题。
此外，非富勒烯有机太阳能电池的工作机理和界面行为等基础理论问题还需要进一步研究和深入理解。
非富勒烯有机太阳能电池小分子受体材料的合成与研究
非富勒烯有机太阳能电池小分子受体材料的合成与研究非富勒烯有机太阳能电池小分子受体材料的合成与研究引言：太阳能作为一种可再生能源，一直被人们广泛关注。
而有机太阳能电池作为太阳能转化存储的有效手段，正成为研究的热点。
近年来，对非富勒烯有机太阳能电池的研究逐渐兴起。
非富勒烯有机太阳能电池以其较高的光电转化效率和较宽的光谱吸收范围而备受瞩目。
本文将介绍非富勒烯有机太阳能电池中的小分子受体材料的合成与研究进展。
1. 非富勒烯有机太阳能电池的优势传统有机太阳能电池的受体材料一直以富勒烯为主，但富勒烯材料的合成成本高昂，并且在提高效率和光谱吸收范围上存在一定的局限。
因此，寻找替代富勒烯材料成为了研究的重点。
非富勒烯有机太阳能电池通过引入合适的小分子受体材料，克服了传统有机太阳能电池的局限性，具有较高的光电转化效率和更宽的光谱吸收范围。
此外，非富勒烯有机太阳能电池还具有可调制性、柔性和适应性强等特点，为实现太阳能电池的可大规模制备提供了新的途径。
2. 非富勒烯有机太阳能电池中的小分子受体材料的合成方法小分子受体材料是非富勒烯有机太阳能电池的关键组成部分，其合成方法直接影响到太阳能电池的性能。
目前，常用的合成方法包括有机合成、金属有机化学和点击化学等。
有机合成方法主要是通过化学反应来构建分子结构，可以调整分子的骨架结构和侧链组成，改变其吸收光谱和电子亲和性。
金属有机化学方法主要是通过金属配合物的形成来改变分子的电子结构和光物理性质。
点击化学方法则是利用“绿色合成”策略，通过特殊的反应条件实现高效、高产率的目标产物合成。
这些合成方法的发展为非富勒烯有机太阳能电池提供了多样化的受体材料选择。
3. 非富勒烯有机太阳能电池小分子受体材料的研究进展近年来，非富勒烯有机太阳能电池小分子受体材料的研究取得了较大的进展。
科研人员通过不断调整小分子的分子结构、配体基团和侧链结构，提高了小分子受体的光电转化效率和稳定性。
研究人员还发现，在小分子受体与电子受体之间形成策略性的非共价相互作用，可以进一步提高光电转化效率。
非富勒烯有机太阳能电池研究进展从器件物理到磁场效应
第41卷第12期2020年12月发光学报CHINESE JOURNAL OF LUMINESCENCEVol.41No.12Dec.,2020文章编号：1000-7032(2020)12-1598-16非富勒烯有机太阳能电池研究进展:从器件物理到磁场效应张彩霞，张湘鹏，张家豪，王恺*(北京交通大学理学院，光电子技术研究所，发光与光信息教育部重点实验室，北京100044)摘要：非富勒烯受体(NFA)材料是现阶段非常受欢迎的有机光电材料之一。
基于非富勒烯受体的有机体异质结(BHJ)太阳能电池发展迅速，其单结能量转换效率(PCE)现已达到18%。
有机半导体中单线态与三线态在磁场作用下的相互转换会影响其电子-空穴的解离与复合，从而对光伏性能有一定的影响。
此外，三线态激子寿命和扩散距离较长，三线态-电荷反应的几率较大，增加光电流，使得三线态材料对于光伏性能的提高具有一定的作用。
因此，本文主要从以下几个方面对非富勒烯有机太阳能电池进行叙述,首先讨论了有机太阳能电池中电荷分离、重组及能量损失对开路电压的影响;其次总结了有机太阳能电池磁场下自旋依赖的光物理过程及三线态材料在有机太阳能电池中的应用,了解二者对提高光伏性能的影响;最后对有机光伏性能的进一步提高以及有机半导体磁场下的自旋问题进行了展望。
关键词：非富勒烯有机太阳能电池；电荷分离与重组；能量损失；磁场效应；三线态受体材料中图分类号：TM914.4文献标识码：A DOI：10.37188/CJL.20200314Advances in Non-fullerene Organic Solar Cells:from Device Physics to Magnetic Field EffectsZHANG Cai-xia,ZHANG Xiang-peng,ZHANG Jia-hao,WANG Kai*(Key Laboratory qf厶uminescence and Optical Information,Ministry qf Education,Institute of Optoelectronic Technology,School of Science,Beijing Jiaotong University,Beijing100044,China)*Corresponding Author,E-mail:kaiwang@Abstract:Non-fullerene acceptor materials are one of the most popular organic optoelectronic materials at present anic bulk heterojunction(BHJ)solar cells based on non-fullerene accep-tors(NFAs)have been developing rapidly,and their single-junction power conversion efficiencies (PCE)have reached18%.The mutual conversion between singlets and triplets in organic semiconductors under the magnetic field will affect the dissociation and recombination for electrons and holes,thereby will have a certain impact on the photovoltaic performance.Moreover,the triplet excitons have a longer lifetime and diffusion distance,as well as higher probabilities for the tripletcharge reaction,which gives rise to the photocurrent,so that the triplet material has a certain effect on the improvement of photovoltaic performance.Thus,this article mainly discusses non-fullerene organic solar cells from the following aspects.Firstly,to discuss the effect of charge separation, recombination and energy loss on the open-circuit voltage；secondly,to talk about the spin-dependent photophysical process for the organic solar cells under the magnetic field and the application of the triplet materials in organic solar cells,both of which influence the improvement of photovoltaic 收稿日期：2020-10-20；修订日期：2020-11-02基金项目：国家自然科学基金(61634001,L1601651,11942413)；科技部国家重点研发计划国际间合作项目(2019YFE0108400)资助Supported by National Natural Science Foundation of China(61634001,U1601651,11942413)；Intergovernmental CooperationProject,National Key Research and Development Program,Ministry of Science and Technology,China(2019YFE0108400)第12期张彩霞，等：非富勒烯有机太阳能电池研究进展:从器件物理到磁场效应1599performance；finally,a prospective for further improvements of the organic photovoltaic performance and the spin problem under the organic semiconductor magnetic field will be given.Keywords：non-fullerene organic solar cells；charge separation and recombination；energy losses；magnetic field effects；triplet acceptor materials1引言非富勒烯受体(Nonfullerene acceptors,NFAs)分子具有合成相对简单、易于纯化、带隙可调节等优点,成为非常有潜力的有机光电材料之一，在半透明［1］、柔性［2-3］有机太阳能电池(Organic solar cells,OSCs)方面具有重要的研究意义和应用前景。
非富勒烯有机太阳能电池或成为新一代太阳能电池
（图片来源：中国科学报）
中国科学家研制出可在海水中“消失”的塑料
中国科学院理化技术研究所研制出一种结合了水溶性与降解性的材 料，该材料具有一定的环境耐受性，废弃后能在数天到数百天内在海水 中降解消失，最终分解为不会对环境造成污染的小分子。研究团队将非 酶水解过程和水溶过程与生物降解过程结合起来，实现了材料在海水中 快速降解。科研人员通过对材料的设计、合成、改性和加工，使其降解 性能可根据不同的应用需求而进行调控。该团队研制的生物降解塑料生 产及应用技术已经向 4 家国内企业完成了技术授权，其中 3 家已经顺利 投产。
（图片来源：中国新能源网）
中科院在室温条件下一步合成钠离子电池正极材料
中国科学院过程工程研究所研发了一种低成本的聚阴离子化合物室温 可控合成技术，并首次合成了钠离子电池高电压正极材料氟磷酸钒钠，该 材料未经过任何后处理即具有优异的倍率性能和长循环性能。研究团队进 一步提出以钒渣萃取提钒得到的偏钒酸钠溶液为钒的原料，直接制备氟磷 酸钒钠，开发了一种便利的室温可控制备技术，也使该材料的生产成本大 大降低。这是首次报道室温条件下一步可控合成一种聚阴离子化合物，也 是对正极材料的常规高温固相法及水热合成法的挑战。
新一代逃逸指挥控制台给航天员生命安全多加一道“安全锁”
中国运载火箭技术研究院所属北京宇航系统工程研究所研制出新一 代逃逸指挥控制台。该控制台较原有的逃逸指挥控制台，增加了双冗余 架构的高可靠性设计方案，可靠性达 99.9%。该指挥控制台可以监测运载 火箭发射前，以及航天员进舱到运载火箭起飞（含紧急关机）阶段的故障 信息，并在运载火箭发生火箭倾倒、推进剂泄漏、着火等故障时，及时 发出逃逸指令，确保待发段出现危及航天员生命安全的紧急情况时，可靠、 迅速地实现航天员的逃逸救生。此外，该控制台体积缩小至原有设备的 1/3，重量也减轻了 50%。
第三组分端基对非富勒烯有机太阳能电池性能的影响
物理化学学报Acta Phys. -Chim. Sin. 2019, 35 (3), 247–248 247[Recommendation] doi:10.3866/PKU.WHXB201806141 第三组分端基对非富勒烯有机太阳能电池性能的影响庄林武汉大学化学与分子科学学院，武汉 430072Effects of Terminal Groups in Third Components on Performance of Nonfullerene Organic Solar CellsZHUANG LinCollege of Chemistry and Molecular Sciences, Wuhan University, Wuhan 430072, P. R. China.Email: lzhuang@有机聚合物太阳能电池具有成本低、重量轻、半透明、制作工艺简单、可制备大面积柔性器件等突出优点，成为近年来的研究热点之一1。
有机太阳能电池活性层由电子给体和电子受体组成，通常采用本体异质结结构2。
富勒烯电子受体及其衍生物如[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯(PC61BM)和[6,6]-苯基-C71-丁酸甲酯(PC71BM)具有电子迁移率高、电子亲和势较高等优点被广泛使用。
然而，富勒烯电子受体具有可见区及近红外区吸收弱、能级难以调控、化学制备困难、光热稳定性较差等缺点，限制了器件光电转换效率的进一步提高，形貌稳定性较差，影响器件稳定性。
近3年来，非富勒烯电子受体发展迅速，其单结有机太阳能电池的光电转换效率由6%发展到14% 3,4。
与富勒烯受体相比，非富勒烯受体具有分子能级可调、可见及近红外区吸收强、合成较容易等优点，特别是以明星分子七并稠环-腈基茚酮类化合物(ITIC) 5为代表的稠环电子受体受到广泛关注6。
除发展新型材料以外，通过选用合适的第三组分构筑三元共混有机太阳能电池可以进一步提高器件的光电转换效率。
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非富勒烯有机太阳电池的器件特性研究
非富勒烯有机太阳电池凭借设计、合成便利性,强光学吸收和最小化能量损失等优点,成为有机太阳电池的研究热点。
在突破富勒烯太阳电池效率瓶颈并提高能量转换效率方面,被寄予厚望。
目前,非富勒烯作为受体的器件表现已经超越富勒烯衍生物,能量转换效率不断攀升。
然而,研究的主要力量在新材料的设计、开发,对非富勒烯受体区别于富勒烯受体的特性缺乏深入的了解。
对非富勒烯太阳电池器件物理的研究,有助于系统的理解新材料的新特性,反过来指导器件的优化和材料的设计。
常用富勒烯衍生物受体合成成本高,限制了有机太阳电池的大规模推广。
本论文的第二章讨论采用无需经过高成本提纯、分离的
PC<sub>61</sub>BM/PC<sub>71</sub>BM天然混合物作为受体,相对纯富勒烯衍生物受体,能够大幅度缩减合成成本。
PCBM混合物受体的器件表现超过了纯
PC<sub>61</sub>BM,并接近PC<sub>71</sub>BM受体。
三者器件短路电流差距较大,PCBM混合物的短路电流高于
PC<sub>61</sub>BM,略低于PC<sub>71</sub>BM受体。
光电转换过程分析表明,三者器件的短路电流差距,主要来自短波长处的光吸收和载流子收集效率差别。
采用倒置器件结构和电子传输材料PFN,对器件做进一步优化,我们将PTB7给体PCBM混合物受体器件光电转换效率提高至8.01%。
研究结果表明,PCBM天然混合物在合成成本和光电性能上均优于PC<sub>61</sub>BM受体,是大面积有机太阳电池模组受体材料的优秀候选者。
非富勒烯太阳电池能够实现转换效率的突破,其中一个决定性的因素是其具
有低能量损耗,在器件上表现出高开路电压。
器件的能量损失不仅取决于受体本身,还与相应匹配的给体材料有关。
第三章中,我们以P3HT和PTB7-Th作为给体,对比研究了富勒烯和非富勒烯受体器件,使用带隙内的EQE和EL光谱测试分析器件的电荷转移能量
(E<sub>CT</sub>),发现非富勒烯器件E<sub>CT</sub>提高涉及两种不同机制。
对于只提高电荷转移能量而不影响单线态能量的体系,开路电压的提高不会损失光谱响应。
此外,给受体材料的带尾态和无序态的分析表明,材料的能级无序度也会对器件的能量损失造成影响。
有机太阳电池中高效的电荷产生,不仅要求给受体材料有互补的光吸收,还需要给体的高效光诱导电子转移（PET）和受体的高效光诱导空穴转移（PHT）,高效PET和PHT过程需要合理充足的能级差作为电荷转移的驱动力。
在能量损失方面,器件的非辐射复合能量损失,是影响开路电压的关键因素。
在第四章,我们研究了宽带隙给体PMOT40分别与窄带隙受体IDIC和i-IEICO-4F 匹配组成的高效体系。
体系不仅展现了平衡、高效的双通道电荷产生和高开路电压（最小化非辐射复合能量损失）,并且由于优秀的载流子传输特性,表现出高填充因子。
在PMOT40:i-IEICO-4F单结器件实现了13%的能量转换效率（认证效率12.5%）。