近日，国家纳米科学中心周二军研究员，与北京航空航天大学孙艳明教授，东华大学马在飞教授合作，在降低有机太阳能电池的非辐射复合损失方面取得重要进展。相关研究成果发表在Adv. Mater.上（Adv. Mater. 2020, 32, 2002122），论文链接： https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202002122 。

在过去十年，溶液加工制备本体异质结有机太阳能电池（OSCs）发展迅速，其能量转换效率（PCE）已经超过18%，但是仍落后于硅基和钙钛矿太阳能电池。在决定OSCs效率的三个重要参数：短路电流（JSC），开路电压（VOC）和填充因子（FF）中，JSC和FF已取得了巨大的突破。但相比于钙钛矿太阳能电池，其VOC仍然较低。其主要原因是存在较大的能量损失（一般大于0.6 eV），其中非辐射电压损失是导致OSC性能低于其他类型太阳能电池的主要原因（普遍大于0.2 V）。另外给受体界面形成的电荷转移态（CT态）是产生较高非辐射复合损失的主要原因。

前期工作中，周二军课题组通过材料开发，尤其是苯并三氮唑（BTA）类小分子材料的开发，取得了诸多高VOC的光伏材料组合（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）。为了从分子设计的角度降低非辐射复合损失,实现超高VOC的有机光伏电池，亟需建立材料化学结构和能量损失之间的关系。

近期，我们采用了氯取代和不含氯的两组D-π-A型聚合物给体（PBT1-C/PBDB-T和PBT1-C-2Cl/PBDB-T-2Cl）和自主开发的受体BTA3，来构建有机太阳能电池，系统研究了不同位置氯取代对ΔVnon-rad的影响。所有体系均获得了高于1.70 eV的电荷转移态能量（ECT），单线态（S1）和CT态之间的能量差（ΔECT）降低到~ 0.1 eV。通过氯原子取代噻吩侧链和噻吩π桥的策略，含氯聚合物体系（PBT1-C-2Cl和PBDB-T-2Cl）均实现了高VOC（1.30 V）和高电致发光外量子效率。非辐射复合电压损失降低到0.16 V和0.17 V，是迄今文献报道的溶液处理有机太阳能电池的最低值。这项工作表明，在D-π-A型共轭聚合物的不同位置的氯取代是降低器件ΔVnon-rad的一种简单而有效的策略，对降低OSCs的能量损失及进一步提高器件性能提供了重要的指导意义。

四种材料组合体系的非辐射复合电压损失和EQEEL

该研究得到国家自然科学基金、科技部重点研发计划、中科院人才项目和战略性先导科技专项（B）等项目的支持。

（来源：国家纳米科学中心）