抑制非辐射复合损失——超高开路电压及超低电压损失的高效有机太阳电池新体系
对比于诸如硅晶电池的其他传统光伏技术，将实验室规模的有机太阳电池器件转移至工业应用还需要很大的努力。其中，限制有机太阳电池器件光电转换效率 (PCE) 的一项重要因素是其开路电压 (Voc)，这是由于来自从活性层材料的光学吸收带隙 (Eg) 到电池器件Voc的较大的电压损失 (Vloss)。Vloss可以通过公式Vloss = Eg/q − Voc分析，其中Eg为活性层材料的光学带隙，q为基本电荷。高效硅晶和钙钛矿太阳电池的Vloss处于0.30–0.55 V，然而大部分经典有机太阳电池体系的Vloss处于0.7至1.0 V，只有一些体系的Vloss低于0.7 V。因此，PCE大于10%的高效有机太阳电池体系较难实现超过1.0 V的Voc。有机太阳电池相对大的Vloss来自于其较高的非辐射复合损失 (ΔVoc,nr)，反映在其共混膜器件的电致发光量子效率 (EQEEL) 较弱 (通常为10−8–10−6)。到目前为止，大部分有机太阳电池的ΔVoc,nr处于0.30–0.48 V范围内，其是电压损失的最后一个路径，而且对于有机光伏领域该损失还尚未得到明确的分析和理解。因此，发展一种可以通过抑制非辐射复合损失 (<0.30 V) 而同时实现高Voc (>1.20 V) 和低Vloss (<0.50 V) 的新型给体:受体体系不仅对与有机太阳电池效率的优化至关重要，而且也为器件物理研究提供全新的研究对象。
近期，华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室曹镛院士团队的段春晖教授、黄飞教授等人报道一种新型有机太阳电池体系，给体采用具有较深HOMO能级的聚合物 (BDT-ffBX-DT)，受体为三种基于苝二酰亚胺 (PDI) 结构单元的小分子 (SFPDI、PDI4和PDI6)。最终的器件结果表明所有的BDT-ffBX-DT:PDI的组合都具有超过1.10 V的Voc以及低于0.30 V的非辐射Voc损失，而且PCE均大于6%。最值得注意的是，基于BDT-ffBX-DT:SFPDI的体系可以获得超高Voc (高达1.23 V)，同时还具有超低的非辐射Voc损失 (低至0.20 V)，这是目前文献报道的有机太阳电池体系的最好结果。其超高Voc和超低非辐射Voc损失受益于其高的EQEEL (约为10−4)，比绝大多数经典有机太阳电池体系高出两个数量级。因此，基于BDT-ffBX-DT:SFPDI共混膜的有机太阳电池的非辐射复合损失低至0.20 V，非常接近经典硅晶电池 (0.18 V)，是目前有机太阳电池体系报道的最低结果。
此项研究的结果表明有机太阳电池体系具有同时实现光电压和电压损失达到无机/杂化太阳电池的同等水平的潜力。此外，这种高Voc体系还可以成为叠层器件子电池的非常好的选择，进一步将可以用于新兴能源研究。相关工作发表在Advanced Energy Materials (DOI: 10.1002/aenm.201801699) 上。
此项研究得到了来自德国Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg的Christoph J. Brabec教授、Ning Li博士等人的协助。GIWAXS和RSoXS的表征得到上海交通大学刘烽课题组的帮助。PDI4和PDI6由中科院化学所王朝晖教授课题组提供。论文的第一作者为华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室的博士研究生刘熙，共同一作为Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg的Xiaoyan Du博士和华南理工大学的王君易。研究得到来自中组部、科技部、国家自然科学基金委资助。
