近日，國(guó)家納米科學(xué)中心周二軍研究員，與北京航空航天大學(xué)孫艷明教授，東華大學(xué)馬在飛教授合作，在降低有機(jī)太陽能電池的非輻射復(fù)合損失方面取得重要進(jìn)展。相關(guān)研究成果發(fā)表在Adv. Mater.上（Adv. Mater. 2020, 32, 2002122），論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202002122。

在過去十年，溶液加工制備本體異質(zhì)結(jié)有機(jī)太陽能電池（OSCs）發(fā)展迅速，其能量轉(zhuǎn)換效率（PCE）已經(jīng)超過18%，但是仍落后于硅基和鈣鈦礦太陽能電池。在決定OSCs效率的三個(gè)重要參數(shù)：短路電流（JSC），開路電壓（VOC）和填充因子（FF）中，JSC和FF已取得了巨大的突破。但相比于鈣鈦礦太陽能電池，其VOC仍然較低。其主要原因是存在較大的能量損失（一般大于0.6 eV），其中非輻射電壓損失是導(dǎo)致OSC性能低于其他類型太陽能電池的主要原因（普遍大于0.2 V）。另外給受體界面形成的電荷轉(zhuǎn)移態(tài)（CT態(tài)）是產(chǎn)生較高非輻射復(fù)合損失的主要原因。

前期工作中，周二軍課題組通過材料開發(fā)，尤其是苯并三氮唑（BTA）類小分子材料的開發(fā)，取得了諸多高VOC的光伏材料組合（VOC=1.02 V, Adv. Energy Mater. 2017, 7, 1602229; VOC=1.22 V, ACS Macro Lett. 2017, 6, 410; VOC=1.15 V, Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1704507; VOC=1.18 V, Adv. Energy Mater. 2018, 8, 1801582; VOC=1.24 V, Chem. Mater. 2019, 31, 3941）。為了從分子設(shè)計(jì)的角度降低非輻射復(fù)合損失,實(shí)現(xiàn)超高VOC的有機(jī)光伏電池，亟需建立材料化學(xué)結(jié)構(gòu)和能量損失之間的關(guān)系。

近期，我們采用了氯取代和不含氯的兩組D-π-A型聚合物給體（PBT1-C/PBDB-T和PBT1-C-2Cl/PBDB-T-2Cl）和自主開發(fā)的受體BTA3，來構(gòu)建有機(jī)太陽能電池，系統(tǒng)研究了不同位置氯取代對(duì)ΔVnon-rad的影響。所有體系均獲得了高于1.70 eV的電荷轉(zhuǎn)移態(tài)能量（ECT），單線態(tài)（S1）和CT態(tài)之間的能量差（ΔECT）降低到~ 0.1 eV。通過氯原子取代噻吩側(cè)鏈和噻吩π橋的策略，含氯聚合物體系（PBT1-C-2Cl和PBDB-T-2Cl）均實(shí)現(xiàn)了高VOC（1.30 V）和高電致發(fā)光外量子效率。非輻射復(fù)合電壓損失降低到0.16 V和0.17 V，是迄今文獻(xiàn)報(bào)道的溶液處理有機(jī)太陽能電池的最低值。這項(xiàng)工作表明，在D-π-A型共軛聚合物的不同位置的氯取代是降低器件ΔVnon-rad的一種簡(jiǎn)單而有效的策略，對(duì)降低OSCs的能量損失及進(jìn)一步提高器件性能提供了重要的指導(dǎo)意義。

四種材料組合體系的非輻射復(fù)合電壓損失和EQEEL

該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中科院人才項(xiàng)目和戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（B）等項(xiàng)目的支持。