近年來，三元策略在提高有機(jī)太陽能電池性能方面已展露出很大的潛力，成為有機(jī)光伏領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。張福俊教授課題組長期專注于三元有機(jī)光伏器件物理方面的研究，提出了研究三元體系中激子和載流子動(dòng)力學(xué)的新方法、新手段，以及理解合金模型的微觀機(jī)制。近期，該課題組基于PM6:Y6:MF1體系成功制備出效率為17.22%的三元器件，在中國計(jì)量科學(xué)院的驗(yàn)證效率為16.8%。此工作已經(jīng)以Articles形式發(fā)表在Science Bulletin上。

該工作系統(tǒng)研究了MF1摻雜比例對(duì)三元器件光伏參數(shù)的影響。隨著MF1摻雜比例的增加，器件的短路電流先升高后降低；開路電壓逐漸升高；填充因子先升高后降低再升高。器件短路電流的升高主要?dú)w因于有源層光子俘獲和形貌的優(yōu)化。逐漸增大的開路電壓表明：MF1和Y6形成了類合金態(tài)，即分子間激發(fā)態(tài)能級(jí)簡并，MF1和Y6良好的兼容性是形成類合金態(tài)的前提條件。作者利用Raman mapping，接觸角和GIWAXS實(shí)驗(yàn)證明MF1和Y6具有較好的兼容性。從其Raman mapping的圖像中，能夠直觀地觀察到MF1在有源層中的分布情況。如圖1c所示，藍(lán)色，紅色和黃綠色區(qū)域分別表示混合膜中的PM6，Y6和MF1。從三元Raman mapping的圖像中能夠觀察到大多數(shù)黃綠色斑點(diǎn)嵌入到紅色區(qū)域，表明在三元混合薄膜中MF1更傾向于與Y6混合形成類合金態(tài)。填充因子的變化主要?dú)w因于雙受體材料較好的兼容性和不同的LUMO能級(jí)。由于MF1的LUMO能級(jí)高于Y6，當(dāng)MF1在受體中的比例為10 wt%時(shí)，MF1和Y6上產(chǎn)生的電子能夠沿著較低的混合LUMO能級(jí)傳輸。當(dāng)MF1的含量增加到50 wt%時(shí)，有源層中會(huì)形成大量的電子陷阱，導(dǎo)致器件電子遷移率和填充因子的降低。當(dāng)MF1的含量為10 wt%時(shí)，三元器件的效率達(dá)到最優(yōu)17.22%，其短路電流為25.68 mA cm 2，開路電壓為0.853 V，填充因子為78.61%。相較于PM6:Y6二元器件，最優(yōu)三元器件的短路電流，開路電壓和填充因子均得到了提升。

圖1. (a) 器件結(jié)構(gòu)示意圖；(b)器件光伏參數(shù)隨MF1摻雜比例的變化趨勢(shì)；(c)混合薄膜的Raman mapping圖像；(d) PM6, MF1 和Y6能級(jí)圖；(e)有源層中電子和空穴遷移率；(f) 器件的J-V曲線。

表1 不同MF1摻雜比例的有機(jī)太陽能電池光伏參數(shù)


a)最優(yōu)三元器件在中國計(jì)量科學(xué)研究院驗(yàn)證的光伏參數(shù)

該工作表明第三組分的作用除了增強(qiáng)有源層光子俘獲外，還可優(yōu)化激子的分布，給受體材料的相分離程度和分子排布方式，形成類合金態(tài)調(diào)控能級(jí)位置，進(jìn)而同時(shí)提高器件的短路電流，開路電壓和填充因子。該工作進(jìn)一步證明：三元策略是一種有效提高器件性能的方法。