侯劍輝&張茂傑AM: 效率19.6%！串聯有機光伏電池創新紀錄！

導語：研究人員透過最佳化低電壓損耗的光活性層和開發一種有效的調節光場分佈的方法，製備了高效的雙結串聯有機光伏（OPV）電池，最終獲得了創紀錄19。64%的光電轉換效率（PCE）。

1.前言

串聯結構的成功構建為實現高光電轉換效率（PCE）的有機光伏（OPV）器件提供了一種新的策略。在最簡單的串聯電池中，兩個子電池透過互連層（ICL）連線，具有相對較高和較低能量的光子分別在子單元中被吸收和利用。為了實現高短路電流密度（JSC）和開路電壓（VOC），應在子電池中使用具有互補吸收光譜和低能量損耗的光活性層，同時ICL還應滿足光學和電子特性的特定要求。

與單結器件相比，串聯器件中光活性材料的選擇受到了更多限制。除了聚焦有效電荷的產生，串聯結構更強調子電池之間的光電流平衡，這是因為子電池的吸收光譜和整個串聯電池的光分佈顯著影響JSC，光學控制對串聯OPV電池就顯得至關重要。例如，透過採用具有不同吸收光譜的光活性材料或調節ICL的光學特性，可以實現更高的JSC，進一步改進PCE。此外，利用能量損失相對較低的光活性材料，可以在串聯電池中獲得較高的VOC。然而，同時賦予一個串聯器件這些最佳特性是非常具有挑戰性的。

圖1：相關分子結構及器件特性

2。簡介

基於以上的因素，近日，中科院化學研究所侯劍輝研究員團隊與蘇州大學張茂傑教授團隊展開合作，採用基於PBDB-TF：ITCC和PBDB-TF：BTP-eC11的體系分別構建了串聯OPV器件的底部子電池和頂部子電池。研究人員細緻地研究了兩組子電池的組成、單結電池的光伏特性和串聯電池中的光場分佈之間的相關性。透過微調頂部子電池的組成和厚度，研究發現300 nm厚的PBDB-TF：BTP-eC11薄膜（D/A比為1：2）是最理想的光活性層。當利用MoOx/Ag/ZnO：PFN-Br作為ICL時，最終成功製備了高效的串聯電池。

圖2：相關器件的光伏效能

研究結果顯示，對於結構為ITO/ZnO/PBDB-TF：ITCC=1：1100 nm/ICL/PBDB-TF：BTP-eC11=1：2300 nm/MoOx/Ag的最佳化串聯電池，可以實現高達19。64%的PCE，經NIM認證為19。50%。透過相關分析，研究發現，當頂部子電池的D/A比為1：2時，填充因子（FF）在厚度變化的情況下受影響較小，而JSC卻明顯較高。雖然從最佳串聯電池中獲得了創紀錄的PCE，但兩個子電池之間的光吸收競爭保持在400-700 nm的範圍內，並且底部子電池中的電壓損失仍然大於頂部子電池中的電壓損失（0。65 V vs 0。51 V）。因此，進一步提高串聯OPV器件的PCE仍有很大的空間。

圖3：器件結構與外量子效率測試

3.總結

綜上，該工作透過最佳化低電壓損耗的光活性層和開發一種有效的調節光場分佈的方法，製備了高效的雙結串聯OPV電池，最終獲得了創紀錄19。64%的PCE。相關研究成果現已發表在國際材料類頂級期刊《Advanced Materials》上，題為“A Tandem Organic Photovoltaic Cell with 19。6% Efficiency Enabled by Light Distribution Control”。

本文關鍵詞：有機光伏，串聯器件，電壓損耗，PBDB-TF，ITCC，BTP-eC11。

PBDB-TF：1802013-83-7

PFN-Br：889672-99-5