有机太阳能电池作为一种非常有前景的环境友好型发电器件，具有柔性、质量轻和半透明等优点。近年来，以ITIC和Y6为代表的稠环电子受体促进了该领域的变革性发展。为了在有机太阳能电池中实现高效率，光活性层应吸收足够的光子以产生激子，而且这些激子必须快速扩散到给体和受体的界面，并有效地解离成自由载流子。所以，高效的激子扩散和电荷输运对提高有机太阳能电池的能量转换效率起着至关重要的作用。基于F?rster能量转移理论，激子扩散长度和光致发光量子产率呈正相关关系，因此，可以通过提高光致发光量子产率来增加激子扩散长度。稠环电子受体表现出优异的激子扩散行为，其激子扩散系数比富勒烯受体高两个数量级。然而，聚合物给体的激子扩散长度通常低于稠环电子受体。因此，增加聚合物给体的激子扩散长度有助于进一步提高器件效率。
作者利用强荧光含硼有机半导体BBS作为固体添加剂，同时增强了PM6:Y6基有机太阳能电池中的激子扩散和电荷输运。BBS使荧光位点从更多的H型聚集转变为更多的J型聚集，有利于聚合物给体PM6激子扩散的共振能量转移和PM6向Y6的能量转移。瞬态光栅超快光致发光光谱测量结果表明，BBS的加入提高了PM6:Y6:BBS薄膜中PM6的激子扩散系数和PM6激子的解离。瞬态吸收光谱测量证实了PM6:Y6:BBS中电荷产生更快。此外，BBS有助于改善Y6结晶性，电流传感原子力显微镜表征表明了PM6:Y6:BBS中载流子扩散长度的增加。基于PM6:Y6:BBS的器件由于激子扩散、激子解离、电荷产生和电荷输运的增强，以及电荷复合和能量损失的减少，开路电压、短路电流密度和填充因子同时获得提高，能量转换效率达17.6%，高于未使用BBS的对比器件（16.2%）。这项工作有助于进一步理解非富勒烯有机太阳能电池中的激子和电荷行为，为研制高性能有机太阳能电池提供了新思路。
太阳能电池J-V特性曲线和BBS结构式
占肖卫课题组博士生陆恒是论文的第一作者，占肖卫是通讯作者。合作者还包括中国科学院物理所孟庆波课题组、东华大学唐正课题组、西安交通大学马伟课题组、北京理工大学宋寅课题组、新西兰惠灵顿维多利亚大学Justin M. Hodgkiss课题组和美国雪城大学Quinn Qiao课题组。
该工作得到国家自然科学基金委员会等的资助。
论文信息：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202205926?af="R
Simultaneously Enhancing Exciton/Charge Transport in Organic Solar Cells by Organoboron Additive
Heng Lu, Kai Chen, Raja SekharBobba, Jiangjian Shi, Mengyang Li, Yilin Wang, JingweiXue, PeiyaoXue, Xiaojian Zheng, Karen E. Thorn, Isabella Wagner, Chao-Yang Lin, Yin Song, Wei Ma, Zheng Tang, QingboMeng, Quinn Qiao, Justin M. Hodgkiss, Xiaowei Zhan*
