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具有两种共轭聚合物给体的三元有机太阳能电池中能量转移与激子分离的平衡

DOI：10.1021/acsaem.0c00740 期刊：ACS Applied Energy Materials 出版年份：2020 更新时间：2025-09-23 15:21:01
摘要： 三元策略作为提升有机太阳能电池（OSC）器件性能的直接方法，在该领域引发广泛关注。该策略通常聚焦于引入与二元体系具有互补吸收特性的第三种吸光材料。然而，研究具有与二元组分相似吸收光谱的第三组分，对于深入理解其性能提升机制同样至关重要。本研究填补了这一空白，构建了由两种共轭聚合物给体材料（PTB7-Th和PffBT4T-2OD）与非富勒烯受体材料（IEICO-4F）组成的三元器件。优化后的三元器件平均光电转换效率（PCE）达12.1%，较其PTB7-Th:IEICO-4F二元对照体系提升约16%。即使含与PTB7-Th相似吸收光谱的第三组分PffBT4T-2OD，研究发现短路电流密度（Jsc）提升是主要性能增强因素。进一步分析表明，优化三元器件中Jsc的增加主要源于光吸收能力、电流提取过程、电荷传输过程的改善及非辐射复合的抑制。此外，在优化三元混合比例时，激子分离过程与能量转移过程之间存在平衡点。优化后的三元器件可能达到该平衡状态，从而呈现性能提升。形貌研究表明，PffBT4T-2OD的加入可调控活性层形貌并提高结晶度。优化后的三元混合物展现出混合良好的给体/受体形貌，具有较小相畴尺寸和适度提升的结晶度，这进一步解释了其最佳器件性能。
作者： Leiping Duan，Yu Zhang，Rong Deng，Haimang Yi，Ashraf Uddin
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研究概述 实验方案 设备清单

研究目的

研究采用两种共轭聚合物给体材料和非富勒烯受体材料的三元有机太阳能电池的性能提升，重点关注能量转移与激子分离之间的平衡。

研究成果

采用0.9:0.1:1.5混合比例（PTB7-Th:PffBT4T-2OD:IEICO-4F）的优化三元器件实现了12.12%的光电转换效率（PCE），较二元对照组提升16%。性能提升主要源于短路电流密度（Jsc）的增加，这归因于光吸收改善、电流提取增强、电荷传输优化及非辐射复合抑制。研究发现激子分离与能量转移的平衡对性能提升至关重要。形貌研究表明，PffBT4T-2OD的添加调控了材料形貌并提高了结晶度，从而促进了性能增强。

研究不足

本研究仅限于所使用的特定材料（PTB7-Th、PffBT4T-2OD和IEICO-4F）及其混合比例，所得发现可能无法直接适用于其他材料体系或器件结构。

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