科学家侯剑辉团队AEM: 新给体分子PB2F，降低器件能量损失，效率高达18.6%！科学家

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导语：研究人员通过设计合成了新型给体分子PB2F ，能够降低有机太阳能电池（OSC）器件的能量损失，最高光电转换效率（PCE）达到18.6% 。
1.前言
体异质结（BHJ）有机太阳能电池（OSCs）在重量轻、成本低和灵活性等方面优势巨大，是一种很有前景的新能源器件，目前光电转换效率（PCE）已经突破了18% 。事实上，高效OSCs器件的能量损失（Eloss）通常在0.5 eV以上，比硅和钙钛矿电池大得多，是制约OSCs发展的主要阻碍之一。
【科学家|侯剑辉团队AEM: 新给体分子PB2F，降低器件能量损失，效率高达18.6%！】Eloss由ΔECT、ΔEr、ΔEnr三个部分组成，其中ΔECT是指光学带隙（Egopt）和电荷转移能级（ECT）之间的能量差， ΔEr和ΔEnr分别指辐射复合和非辐射复合引起的能量损失。 ΔEr在所有类型的太阳能电池中都存在，是不可避免的。因此，降低ΔECT和ΔEnr被认为是抑制Eloss的关键途径，最终提高OSCs的光伏性能。

图1:相关分子的基本性质与表征

2.简介

基于上述因素，近日，中科院化学研究所侯剑辉研究员团队设计并合成了一种新型聚合物给体分子：PB2F ，其主体结构由苯并噻二吩单元和134-噻二唑单元共聚而成。结果显示， PB2F具有2.12 eV的宽带隙， HOMO能级低至?5.64 eV ，电致发光量子效率（EQEEL）高达3.9×10-3 ，空穴迁移率高达6.4×10-4 cm2 V-1 S-1 。这种聚合物在溶液中具有很强的聚集效应，在纯膜中可以形成纳米级的纤维聚集体。当将其应用到OSCs中时，基于PB2F:IT-4F器件PCE为14.5% ，开路电压（VOC）为0.957 V ，明显高于基于PBDB-TF:IT-4F的器件。

图2:相关器件的光电性能测试

此外，虽然基于PB2F:BTP-eC9的OSCs器件由于电荷分离驱动力不足（ΔECT=0.020 eV），最终只获得了5.17%的PCE ，但ΔEnr却低至0.172 eV 。然而，利用PB2F作为第三组分时可以降低基于PBDB-TF:BTP-eC9器件的能量损失，同时降低ΔECT和ΔEnr 。结果显示，三元OSCs器件的PCE高达18.6% ，是目前三元体系的最高值之一，其中VOC为0.863 V ，短路电流密度（JSC）为26.8 mA cm-2 ，填充因子（FF）为0.804 。

图3: 相关器件的电荷动力学测试

3.总结
综上，该工作不仅获得了一种高性能、应用广泛的聚合物给体，同时也为后续的相关分子设计提供了新的思路。相关研究成果现已发表在能源类国际顶级期刊《Advanced Energy Materials》上，题为“A Thiadiazole-Based Conjugated Polymer with Ultradeep HOMO Level and Strong Electroluminescence Enables 18.6% Efficiency in Organic Solar Cell” 。
本文关键词：有机太阳能电池，聚合物给体，能量损失，三元器件， PB2F 。
4.材料

PBDB-TF：1802013-83-7

BTP-eC9：2598965-39-8