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  通過(guò)向高效的雙組份太陽(yáng)能電池活性層中加入第三組分來(lái)制備三組分太陽(yáng)能電池是目前最廣泛使用的提高光伏器件效率的策略之一。然而，第三組分的引入往往會(huì)對(duì)給體或受體的結(jié)晶性、以及給/受體相分離尺寸產(chǎn)生負(fù)面且不可控的影響，使得器件的工作參數(shù)很難得到全面提高，同時(shí)也極大地影響了器件的穩(wěn)定性。因此，對(duì)于三組分太陽(yáng)能電池，活性層結(jié)晶行為以及相分離尺寸的精準(zhǔn)調(diào)控是目前的難點(diǎn)之一。

  近年來(lái)，陳義旺教授課題組在有機(jī)太陽(yáng)能電池活性層結(jié)晶性和相分離尺寸精準(zhǔn)調(diào)控方面做了大量工作，建立了一系列對(duì)活性層的結(jié)晶性，以及相分離尺寸進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控的方法，并因此大幅度提高器件的效率及穩(wěn)定性。例如，使用液晶分子、高結(jié)晶聚合物納米線、混合溶劑處理活性層，可以有效調(diào)控給體相結(jié)晶性，提高異質(zhì)結(jié)界面穩(wěn)定性。而使用低沸點(diǎn)添加劑丁二硫醇代替常用的二碘辛烷，由于丁二硫醇較易揮發(fā)，在調(diào)節(jié)并改善活性層形貌的同時(shí)，阻止了自由基引發(fā)光降解，提高了玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，進(jìn)而改善了器件的光和熱穩(wěn)定性。(Macromol. Rapid Commun. 2017, ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, J. Phys. Chem. C 2015a, 2015b, Phys. Chem. Chem. Phys. 2015, 2016, J. Mater. Chem. A 2016, J. Polym. Sci., Part A: Polym. Chem. 2017 Invited article, Mater. Chem. Front. 2017 Invited article)。此外，課題組通過(guò)Huggins參數(shù)研究三元組分的形貌演變，建立了三元組分有機(jī)太陽(yáng)能電池相行為形成規(guī)律。并基于超薄Ag作為透明電極制備了三元半透明器件，器件效率高達(dá)9.2%。(J. Mater. Chem. C 2017, Adv. Funct. Mater. 2018)。

  在此基礎(chǔ)上，陳義旺教授和諶烈教授研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)三組分太陽(yáng)能電池活性層結(jié)晶行為及其形貌調(diào)控展開了進(jìn)一步的研究。通過(guò)向基于PBDB-T:ITIC體系的雙組份太陽(yáng)能電池中引入端基四氟取代的中等帶隙非富勒烯受體ITIF，利用“合金”受體調(diào)控活性層結(jié)晶行為、相分離以及形貌，來(lái)進(jìn)一步提高三組分太陽(yáng)能電池的填充因子，并通過(guò)吸收和能級(jí)的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了光伏器件的工作參數(shù)，乃至器件效率的全面提升。

  對(duì)于受體ITIF，由于具有和ITIC相同的骨架結(jié)構(gòu)，促使其與ITIC混合后形成了新的“合金”受體。而獨(dú)特的含氟非平面端基結(jié)構(gòu)，使得ITIF具備了調(diào)控“合金”受體結(jié)晶性和表面能的能力。因此，通過(guò)調(diào)節(jié)ITIF的含量，可以方便地對(duì)“合金”受體結(jié)晶行為，以及活性層給/受體相分離進(jìn)行調(diào)控，進(jìn)而優(yōu)化活性層形貌，提高了活性層的載流子遷移率和填充因子。此外，非平面端基的引入明顯提高了受體的LUMO能級(jí)，同時(shí)還擴(kuò)大了受體帶隙，使之可以彌補(bǔ)PBDB-T:ITIC混合膜在500-600 nm處的光吸收。另一方面，氟原子的增色作用也大大提高了ITIF的吸收系數(shù)（ITIC及PBDB-T的1.5倍左右）。受益于ITIF高的吸收系數(shù)和兩個(gè)受體之間快速的能量共振轉(zhuǎn)移，相應(yīng)三組分太陽(yáng)能電池的短路電流得到了明顯提高。更有趣的是，通過(guò)ITIF對(duì)“合金”受體能級(jí)的影響，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)開路電壓的精準(zhǔn)調(diào)控。最終，在引入5% ITIF受體的條件下，由于短路電流，開路電壓和填充因子的全面提升，相應(yīng)太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率從9.2%提高到了10.5%。

圖1. (a) 給體PBDB-T以及受體ITIC與ITIF的結(jié)構(gòu)式；(b) 基于PBDB-T:ITIF:ITIC的三組分太陽(yáng)能電池工作示意圖；(c) 基于PBDB-T:ITIF:ITIC的三組分太陽(yáng)能電池J-V曲線圖；(d) 不同濃度下光伏器件開路電壓以及相應(yīng)能量損失圖。

  該研究為三組分有機(jī)太陽(yáng)能電池的結(jié)晶行為調(diào)控以及性能的優(yōu)化提供了新的研究思路。相關(guān)工作近期發(fā)表在《advanced functional materials》上，南昌大學(xué)化學(xué)學(xué)院博士后呂瑞之為第一作者，南昌大學(xué)陳義旺教授和諶烈教授為共同通訊作者。

  原文鏈接：

  Ruizhi Lv, Dong Chen, Xunfan Liao, Lie Chen,* and Yiwang Chen*, A Terminally Tetrafluorinated Nonfullerene Acceptor for Well-Performing Alloy Ternary Solar Cells, Adv. Funct. Mater. 2019, 1805872.

  DOI: 10.1002/adfm.201805872

  https://doi.org/10.1002/adfm.201805872