引言

聚合物太阳能电池是具备较大前景的下一代光伏电池，可以通过室温溶液处理法制造，其中，串联聚合物太阳能电池因其10％的高功率转换效率而备受关注。华南理工大学材料科学与工程学院吴宏滨老师课题组，研究了一种新开发的半导体聚合物电池，通过改变活性层的成分和共混物的结构顺序来实现对带状拖尾的控制，使材料具有高性能光敏层、更高的化合价能级，在电子结中将尾态密度降低到电子受体的导带以下，在单结器件中实现了类似串联聚合物电池的效率。

研究成果

华南理工大学材料科学与工程学院吴宏滨老师课题组证明了通过控制PC₇₁BM的LUMO以下的带尾效应，可以有效缓解和调节基于窄带隙聚合物PSC_s的开路电压中的基本损耗，并且可以在很宽的范围内（100 mV）进行调制。通过光电流光谱响应特性分析和结构表征的实验结果，我们发现带尾效应的减少以及电子和空穴准费米能级分裂的增加有助于改善开路电压。此外，我们在带拖尾和器件的光电压输出之间建立了相关性，提供更多有关高VOC起源的应用，为材料的进一步改进提供理论和实验指导依据。

图1 60wt％ PC₇₁BM的PSC_s共混物的光学性质和的器件性能

氟取代法对深化的有效性，HOMO能级和PTB7－Th作为有希望的电子供体

本文首先研究了具有规则组成的倒置结构中器件的性能，其中聚合物：PC₇₁BM的比例为1：1.5。在1个太阳光1000 Wm=2的光照，模拟AM 1.5G照明情况下，PSC_s展现出了非常好的光电性能。 根据器件的J–V特性得出的器件参数，如V_OC，J_sc和填充因子（FF）分别为0.815 V，17.52 mAcm^－2和72.0％，效率为10.28 ％。与我们以前的报告中最佳PTB7器件的性能相比（V_OC＝ 0.740 V，J_sc＝ 17.20 mA cm^－2，FF ＝ 72.0％和PCE ＝ 9.15％），PTB7-Th器件具有更高的V_OC和更高的J_sc，表明氟取代基方法确实是一种非常成功的方法。

通过将EQE数据与AM 1.5G太阳光谱的乘积积分而获得的理论J_sc为17.99 mA cm^－2，这与从J–V特征曲线获得的值非常吻合（图1b，表1），这些数据为了进一步增强PTB7-Th器件的V_OC和整体器件性能提供了一定的实验依据。

表1 PC₇₁BM在10％至95％之间的重量分数变化范围

为了调查V_OC增强机制，本文分析了器件的暗饱和电流，从图3a，b中可以看出，所有曲线斜率基本一致，其理想因子值为1.45±0.15。根据VOC的斜率与光强度的自然对数（图3c），发现大多数设备在照明条件下的理想因子为1.10±0.10，器件之间的电荷动态变化不大。

图3a 有源层中具有不同PC₇₁BM重量分数的一系列典型器件的暗伏安特性；

图3b 黑色实线适合暗J–V的指数增长特征；图3c  V_OC与器件的光强度自然对数

结论

本文研究发现单结PSC_s材料的PCE_s超过10％，该太阳能电池性能可与非晶／微晶硅太阳能电池相比拟，是一种高效有机串联元件。通过使用新合成的，具有深HOMO能级的窄带隙半导体聚合物，以及控制电子受体传导带以下的尾态密度和共混物的无序度，该材料在相对较低的光照强度条件下（0.3–0.5太阳照射）PCE_s可以达到11％，这是朝着实现经济高效的太阳能电池迈出的重要一步，也为太阳能电池材料的研究提供了一定的理论和实验依据。

文章信息

这一成果发表在nature photonics上，该文章是由华南理工大学材料科学与工程学院吴宏滨老师课题组完成。

本研究采用的是北京卓立汉光仪器有限公司 “研究级DSR100系列探测器光谱响应度标定系统”，如需了解该产品，欢迎咨询。