中科院青岛生物能源与过程研究所揭示有机太阳能电池电荷传输新机制

近日, 中科院青岛生物能源与过程研究所先进有机功能材料与器件研究组在前期非富勒烯受体的新型侧链工程研究基础上,进一步研究揭示了烷基侧链的影响,实现了对分子堆积、捕光层形貌及电荷传输更为精细的调控。相关成果近日发表于《创新》。

有机太阳能电池(OSCs)是光伏领域的重要研究方向,特别是2015年新型非富勒烯受体的出现,极大推动了OSCs的发展。然而,在面向应用的大面积器件的印刷制备中,OSCs捕光层厚度是一个绕不开的课题。第一,随着膜厚的增加,捕光层内电荷的复合损失显著增加,电池效率迅速下降;第二,膜厚较薄的印刷制备对设备和工艺的要求极为苛刻。根据目前已有的报道,绝大多数的高性能电池均是基于~100纳米的捕光层材料。发展新方法,开发膜厚敏感低的有机光伏材料,对于OSCs的印刷制备及应用具有重要意义。

课题组研究发现,侧链烷基碳数细微调控对共轭材料分子堆积方式展现出截然不同的影响,侧链碳数为5时的IDIC-C5Ph受体中存在奇特的分子堆积。该研究组首次提出了双通道电荷传输(TCCT)概念,可实现电荷更为高效的传输与提取。

光伏性能结果表明,IDIC-C5Ph基器件最优条件下的填充因子(FF)高达80.02%,是常规有机光伏器件中的最高值之一。考虑到TCCT特性在电荷传输及抑制复合方面的优势,IDIC-C5Ph基器件随着膜厚增加到307纳米时,FF仍高达75%,媲美大多数报道的低膜厚器件数据;进一步增加到470纳米时,FF依然大于70%,PCE达到13%。