基于宽带隙小分子给体第三组分的三元有机光伏器件

doi:10.7503/cjcu20230170

高等学校化学学报 ›› 2023, Vol. 44 ›› Issue (9): 20230170.doi: 10.7503/cjcu20230170

基于宽带隙小分子给体第三组分的三元有机光伏器件

马伊帆, 张雅敏(), 甘胜民, 张昱琛, 费贤, 王汀, 张则琪, 巩雪柱, 张浩力()

兰州大学化学化工学院, 功能有机分子化学国家重点实验室, 特殊功能材料与结构设计教育部重点实验室, 兰州 730000

收稿日期:2023-04-01 出版日期:2023-09-10 发布日期:2023-05-05
通讯作者: 张浩力 E-mail:zym@lzu.edu.cn;haoli.zhang@lzu.edu.cn
作者简介:张雅敏, 女, 博士, 研究员, 主要从事有机光电转换材料与器件方面的研究. E-mail: zym@lzu.edu.cn
第一联系人：共同第一作者.
基金资助:
国家自然科学基金(92256202);高等学校学科创新引智计划2.0(BP1221004);甘肃省科技重大专项(22ZD6GD060);中央高校基本科研业务费(lzujbky-2022-kb01);国家重点研发计划项目(2022YFE0133900)

Ternary Organic Photovoltaic Devices Based on Wide-band Gap Small Molecule Donor Third Component

MA Yifan, ZHANG Yamin(), GAN Shengmin, ZHANG Yuchen, FEI Xian, WANG Ting, ZHANG Zeqi, GONG Xuezhu, ZHANG Haoli()

State Key Laboratory of Applied Organic Chemistry（SKLAOC），Key Laboratory of Special Function Materials and Structure Design，Ministry of Education，College of Chemistry and Chemical Engineering，Lanzhou University，Lanzhou 730000，China

Received:2023-04-01 Online:2023-09-10 Published:2023-05-05
Contact: ZHANG Haoli E-mail:zym@lzu.edu.cn;haoli.zhang@lzu.edu.cn
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China(92256202);the 111 Project 2.0, China(BP1221004);the Science and Technology Major Program of Gansu Province of China(22ZD6GD060);the Fundamental Research Funds for the Central Universities, China(lzujbky-2022-kb01);the National Key Research and Development Program of China(2022YFE0133900)

1. ESM to 20230170.pdf(1772KB)

摘要/Abstract

摘要：

三元策略是提升器件光电转换效率的重要途径. 本文设计合成了基于苯并噻二唑并二噻吩桥联基团的宽带隙小分子给体DRDTBT, 并将其作为有机太阳能电池中的第三组分. 通过引入具有缺电子性质的苯并噻二唑并二噻吩单元, 使DRDTBT获得了较低的最高占有轨道能级以及高的结晶性, 将其作为第三组分引入基于PM6∶BTP-eC9的器件中时有效提升了器件的开路电压, 活性层形貌也得到了更好的调节. 得益于提升的开路电压和填充因子, 三元器件取得了优于二元器件的光电转换效率, 其开路电压为0.86 V, 短路电流密度为26.99 mA/cm², 填充因子为76.34%, 最终取得了17.72%的高光电转换效率, 证明将高结晶性缺电子单元引入小分子给体第三组分中是提升三元有机太阳能电池效率的有效途径.

关键词: 有机太阳能电池, 三元策略, 宽带隙小分子给体, 缺电子桥联单元

Abstract:

Ternary strategy is an efficient way for improving the performance of organic solar cell. In this work， a highly crystallized organic small molecular donor（DRDTBT） was designed and synthesized as the third component of ternary organic solar cells. The introduction of a large conjugated unit dithieno［3'，2'：3，4；2''，3''：5，6］benzo ［1，2-c］［1，2，5］thiadiazole with electron-withdrawing ability deepened the highest occupied molecular orbital level of DRDTBT as well as enhanced the crystallinity of it. When employed DRDTBT as the third component of PM6∶BTP-eC9 active layer， the open circuit voltage of the photovoltaic device was strongly improved， furthermore， the morpho-logy of the active layer also was finely tuned. Benefit from the enhanced open circuit voltage and fill factor， the ternary device results in an improved performance than its binary counterpart， giving a high power conversion efficiency of 17.72% with an open circuit voltage of 0.86 V， a short circuit current density of 26.99 mA/cm² and a fill factor of 76.34%. This work proves that introducing highly crystallized electron-deficient units into the small molecule donors third component is an effective way to improve the performance of ternary organic solar cells.

Key words: Organic solar cell, Ternary strategy, Wide-band gap small molecule donor, Electron-deficient bridge unit

中图分类号:

O629

TrendMD:

马伊帆, 张雅敏, 甘胜民, 张昱琛, 费贤, 王汀, 张则琪, 巩雪柱, 张浩力. 基于宽带隙小分子给体第三组分的三元有机光伏器件. 高等学校化学学报, 2023, 44(9): 20230170.

MA Yifan, ZHANG Yamin, GAN Shengmin, ZHANG Yuchen, FEI Xian, WANG Ting, ZHANG Zeqi, GONG Xuezhu, ZHANG Haoli. Ternary Organic Photovoltaic Devices Based on Wide-band Gap Small Molecule Donor Third Component. Chem. J. Chinese Universities, 2023, 44(9): 20230170.

图/表 6

Fig.1 Chemical structures of DRDTBT(A), PM6(B) and BTP⁃eC9PM6(C)

Fig.2 Normalized UV⁃Vis absorption spectra in the thin film state(A) and energy level diagrams(B) of PM6, DRDTBT and BTP⁃eC9

Fig.3 J⁃V curves(A), EQE curves(B), absorption curves(C) of binary and ternary blend films, variation of Jph with Veff(D), variation of Jph/Jsat with Veff(E), dependence of Jph on the light intensity(Plight)(F) for the binary and ternary devices

Table 1 Photovoltaic parameters of the binary and ternary OSCs with 1,8-diiodooctane（DIO） content of 0.5%（volume fraction)

Active layer	V_OC/V	J_SC/（mA ·cm^‒2）	J $S C c a l$ ^a /（mA· cm^‒2）	FF（%）	PCE ^b （%）
PM6∶BTP⁃eC9	0.84	27.34	26.16	74.57	17.22
PM6∶BTP⁃eC9∶DRDTBT	0.86	26.99	25.83	76.34	17.72

Table 1 Photovoltaic parameters of the binary and ternary OSCs with 1,8-diiodooctane（DIO） content of 0.5%（volume fraction)

Active layer	V_OC/V	J_SC/（mA ·cm^‒2）	J $S C c a l$ ^a /（mA· cm^‒2）	FF（%）	PCE ^b （%）
PM6∶BTP⁃eC9	0.84	27.34	26.16	74.57	17.22
PM6∶BTP⁃eC9∶DRDTBT	0.86	26.99	25.83	76.34	17.72

Fig.4 AFM height images(A, B), TEM images(C, D) and 2D GIWAXS images(E, F) of the binary(A, C, E) and ternary blends(B, D, F)(A) Rq=1.55 nm; (B) Rq=1.65 nm.

Fig.5 TA spectra of binary(A) and ternary(B) films with the spectra of BTP⁃eC9 excited by 760 nm pump light with different delay times, lifetimes of three species in binary(C) and ternary films(D)

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基于宽带隙小分子给体第三组分的三元有机光伏器件

Ternary Organic Photovoltaic Devices Based on Wide-band Gap Small Molecule Donor Third Component

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