基于自掺杂n-型阴极界面材料的高效叠层有机太阳电池

有机/聚合物太阳能电池是一类以有机半导体材料为光活性层的光电转换装置。由于有机半导体材料自身的柔性特质和溶液加工特性，可通过溶液加工方式制备大面积、低成本、柔性太阳能电池。在移动电子设备、车载半透明玻璃窗、建筑物一体化等领域都有着巨大的应用潜力。然而由于有机太阳电池光活性层材料只能吸收能量高于材料自身带隙的光子，这使得能量低于光活性层材料带隙的光子将直接“穿”过光活性层而不会产生光电流，最终造成太阳能的损失；此外，即使光活性层吸收高能光子后将基态电子激发到高激发态，但由于热能化损失作用，同样也会造成太阳能的损失。因此，对于单层结构的有机太阳电池器件来说，由于这些能量损失的存在，限制了其效率的进一步提高。相比于单层电池，叠层电池既能利用高能量光子减少热能化损失，又能利用低能量光子增加光谱利用率。理论预测表明叠层器件的最高效率可以突破15%,因此更有潜力获得高能量转换效率，满足商业化应用要求。通常来说，中间连接层的构筑是叠层器件效率得以提升的关键。然而目前文献报道的中间连接层主要包括：基于无机半导体（Inorganic Semiconductor，IS）和超薄金属（Metal，M）的IS/M/IS中间连接层或基于无机半导体和有机半导体（Organic Semiconductor，OS）的IS/OS中间连接层。由于无机半导体自身容易脆断，这类中间连接层难以实现柔性器件。此外，由于PEDOT自身的酸性会对无机半导体造成腐蚀，因此这类结构的中间连接层也不利用器件寿命的保持。

近期，叶轩立教授课题组同黄飞教授课题、彭小彬教授课题组开展合作，选用了一类具有自掺杂特性的n-型水/醇溶共轭聚合物阴极界面材料PF3N-2TNDI，用于叠层有机太阳能电池的中间连接层构筑。由于PF3N-2TNDI的自掺杂特性，其可在较大厚度波动范围内实现优异的器件效率提升，因此可以构筑出具有足够厚度的中间连接层以保护下层活性层不被上层溶液溶蚀。在选配具有互补吸收的上、下层活性层材料后，成功的获得了能量转换效率高达11.35%的叠层有机太阳电池。同时还实现了效率超过10%的柔性器件以及一个月内效率衰减小于10%的高稳定器件。相关研究成果发表在Advanced Materials [DOI:10.1002/adma.201506270]