詹传郎团队：通过四元策略调整能级与改善形貌的协同作用实现具有
17%效率的绿色溶剂处理的有机太阳能电池
具有成本低、重量轻、可溶液加工、可折叠、半透明和卷对卷可印刷等优点的体异质结（BHJ）聚合物太阳能电池（PSC）是将太阳能转化为电能的一种具有广泛应用前景的绿色清洁能源技术。随着活性层新材料以及电子和空穴传输层新材料的设计合成，有机太阳能电池领域的研究不断深入。到目前为止，单节OSCs的能量转换效率（PCEs）已经超过了18%。通常，这些活性层材料在氯仿、氯苯、邻二氯苯等卤代溶剂中表现出良好的溶解性，能形成具有互穿网络的纳米尺寸的共混形貌，有利于电荷的高效分离与传输。然而，这些溶剂具有毒性和高挥发性，对人体健康和环境有害。因此，发展绿色溶剂加工技术来制备高效OSCs成为业界的一个研究热点。但是绿色溶剂加工得到的器件通常表现出较低且不平衡的载流子迁移率，常常导致较低的短路电流密度 (JSC) 和较小的填充因子 (FF)。
基于上述问题，近日，内蒙古师范大学詹传郎教授团队通过在基于PM6:BTP-BO-4F主体共混物中引入客体组分BTP和PhI-Se，从而报道了一个独特的绿色溶剂处理的四元体系。其中BTP表现出与主体BTP-BO-4F相似的化学结构，同时BTP具有更高的LUMO能级，此外，BTP的HOMO能级几乎与PM6的HOMO能级相同。相比于主体给体PM6，PhI-Se表现出更低的HOMO能级，这些都有助于提高器件的VOC（0.39V），这是报道的三元和四元器件中VOC提高的最大值。此外BTP和BTP-BO-4F具有良好的相容性，能够形成均匀的混合相，从而改善薄膜形貌。研究结果显示，基于PhI-Se:PM6:BTP:BTP-BO-4F四元器件的PCE从二元器件的13.1%提高到了17%，JSC为26.1 mA cm-2，VOC为0.851 V， FF为76.6%。此外，在相同情况下使用氯苯加工的四元器件获得18.2%的PCE。进一步研究表明，客体组分BTP和PhI-Se的引入提高和平衡了器件载流子迁移率，同时抑制了电荷复合。
综上，该工作为提高绿色溶剂加工的PSCs的效率提供了一种简单而有效的方法。相关研究成果最新发表于《Solar RRL》（DOI: 10.1002/solr.202200147）上，题为“Green-Solvent-Processed 17% Efficient Polymer Solar Cell Achieved Synergistically by Aligning Energy Levels and Improving Morphology with the Quaternary Strategy”。
《Solar RRL》始于2017年，是《Advanced Materials》系列在太阳能电池材料与器件领域的唯一专业子刊，定位与姐妹刊《Advanced Energy Materials》、《Advanced Functional Materials》相同，在领域内具有巨大的学术影响力。目前该杂志影响因子为8.582，中科院SCI期刊分区2021年基础版大类为1区，小类为2区。2021年升级版大类为2区，小类为3区。
上述研究工作得到了内蒙古科技厅（项目编号：2020GG0192）、草原英才（项目编号：CYYC1003）、内蒙古师范大学（项目编号：112/1004031962）、内蒙古自治区自然科学基金（项目编号：2020LH02009）以及内蒙古师范大学研究生科研创新基金资助项目（项目编号：CXJJS21136）的支持。北京同步辐射设施（BSRF，1W1A）为器件GIWAXS测量提供了支持。