有機太陽能電池具有質量輕、柔性、半透明以及可大面積制備等優(yōu)點，成為新一代光伏技術的重要發(fā)展方向。有機太陽能電池中的體異質結型活性層通常由一個電子給體材料和一個電子受體材料共混制備而成。由于有機光伏材料的吸收光譜較窄，采用雙組分制備的二元器件難以實現(xiàn)對太陽光譜的全波段吸收，因而限制了有機光伏器件效率的進一步提升。在二元體系中引入吸收光譜互補的第三組分制備三元器件是提高有機太陽能電池短路電流的有效策略。近年來，通過對第三組分材料的合理篩選以及共混比例的優(yōu)化，三元有機太陽能電池的器件效率已經(jīng)突破15%。然而，目前已報道的第三組分材料普遍存在著分子結構復雜、合成困難、成本高等不足之處。因此尋找低成本第三組分材料對三元太陽能電池的發(fā)展具有重要意義。
最近，在中科院戰(zhàn)略性先導科技專項、國家自然科學基金和福建省自然科學基金的資助下，中科院福建物質結構研究所結構化學國家重點實驗室鄭慶東研究員課題組和西安交通大學馬偉教授課題組合作，將一種廉價易得的苯并噻二唑衍生物（BTF）作為第三組分用于構筑三元光伏器件，實現(xiàn)了高達16.53%的光電轉換效率(圖1)。具有良好結晶性的小分子BTF的引入不但能夠提升器件對短波段太陽光的捕獲能力，還能夠有效調控活性層的形貌（圖 2），最終使得器件的開路電壓，短路電流和填充因子同時得到提高。該工作對設計低成本、高效三元有機太陽能電池具有重要的指導意義。
圖1、三元電池活性層材料的化學結構式和三元電池在最優(yōu)條件下的J-V曲線
圖2、不同BTF含量的活性層膜的GIWAXS圖
相關結果近期在線發(fā)表在《Materials Horizons》：A minimal benzo[c][1,2,5]thiadiazole-based electron acceptor as a third component material for ternary polymer solar cells with efficiencies exceeding 16.0%. DIO: 10.1039/C9MH00993K，文章第一作者為馬云龍助理研究員。
此前，該團隊在非富勒烯受體材料與器件方面取得了系列進展。設計并合成了一類含有梯形稠環(huán)二噻吩并環(huán)戊二烯并萘分子的非富勒烯受體材料，相應器件的轉化效率可達9.51%，能量損失低至0.50 eV（Chem. Mater. 2017, 29, 7942-7952；Chem. Mater. 2017, 29, 9775-9785）；發(fā)展了一類以二噻吩并環(huán)戊二烯并咔唑分子為核的非富勒烯受體材料，并通過側鏈工程和氟化策略將基于該材料的器件效率提升至11.18%（Chem. Mater. 2019, 31, 5953-5963）；發(fā)展了一類基于C2v對稱的含梯形稠環(huán)非富勒烯受體材料，通過器件制備工藝的優(yōu)化，獲得了11.25%的轉化效率（J. Mater. Chem. A, 2019, 7, 9609-9617）。
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