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研究亮點(diǎn)：

1.用四氫呋喃（THF）處理了一種新的三元體系，以制備高性能的IOPV。

2.THF處理的IOPV的效率達(dá)到了創(chuàng)紀(jì)錄的28.84%。

3.不透明和半透明模塊的PCE分別為22.0%和14.8%。

4.分析了三元器件在各種場(chǎng)景中的應(yīng)用。

一、實(shí)現(xiàn)高效的室內(nèi)有機(jī)光伏現(xiàn)存的挑戰(zhàn)

根據(jù)理論計(jì)算，光伏材料的理想光學(xué)帶隙（Eg）約為IOPV的1.8–3.0 eV。為了實(shí)現(xiàn)高效的IOPV，活性層材料需要具有與室內(nèi)光源匹配的合適吸收光譜。此外，由于室內(nèi)光源下的入射光強(qiáng)度較低，相關(guān)IOPV通常顯示出較低的載流子密度。因此，相關(guān)IOPV的有源層系統(tǒng)需要降低非輻射復(fù)合和泄漏電流。為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)高效光伏性能，還需要較高且匹配的外部量子效率（EQE）頻譜和低電壓損耗，使IOPV中光電轉(zhuǎn)換過(guò)程中入射光子的能量損失最小化。此外，由于有效的光電轉(zhuǎn)換過(guò)程關(guān)鍵取決于大塊微觀結(jié)構(gòu)，因此控制精細(xì)的納米級(jí)形貌至關(guān)重要。然而，要同時(shí)滿(mǎn)足上述選擇標(biāo)準(zhǔn)以實(shí)現(xiàn)高效和穩(wěn)定的IOPV是非常困難的。這也是為什么只有少數(shù)材料適合IOPV器件的主要原因之一。

二、成果簡(jiǎn)介

室內(nèi)有機(jī)光伏（IOPV）被認(rèn)為是物聯(lián)網(wǎng)電源最有前景的候選電源之一，因?yàn)樗梢詮沫h(huán)境條件中獲取光能。然而，有限的寬帶隙受體和有害溶劑阻礙了IOPV的發(fā)展。在此，武漢大學(xué)閔杰課題組作者展示了一種適用于室內(nèi)應(yīng)用的高性能J52-Cl:BTA3:BTA1三元體系。四氫呋喃處理的三元器件在LED 1000 lux條件下的PCE為28.8%。此外，不透明和半透明模塊不僅表現(xiàn)出22.0%和14.8%的PCE，而且具有良好的穩(wěn)定性。這些結(jié)果啟發(fā)我們用太陽(yáng)能模塊取代電池來(lái)驅(qū)動(dòng)集成傳感器，同時(shí)探索所設(shè)計(jì)的三元系統(tǒng)的OLED性能。

三、結(jié)果與討論

要點(diǎn)1：活性材料的特性

聚合物供體J52 Cl和電子受體BTA3和BTA132的分子結(jié)構(gòu)如圖1A所示。BTA3和BTA1具有非常相似的分子結(jié)構(gòu)，但2-（3-乙基-4-氧噻唑烷-2-亞基）丙二腈和3-乙基-2-硫氧噻唑啉-4-一個(gè)末端受體基團(tuán)導(dǎo)致不同的光學(xué)、能級(jí)和物理化學(xué)性質(zhì)。圖1B顯示了OPV的正常結(jié)構(gòu)圖。圖1C描述了本研究中研究的活性層材料的最高占據(jù)分子軌道（HOMO）和最低未占據(jù)分子軌道能級(jí)（LUMO）的相對(duì)位置。D/A材料的良好能量學(xué)確保了三元器件中激子的有效解離（表S1）。將LUMO能級(jí)較低的BTA1引入J52 Cl:BTA3二元系統(tǒng)的主要原因之一是改善相關(guān)三元器件中的VOC。圖1D顯示了所研究活性層材料的歸一化吸收光譜。

J52 Cl和BTA3薄膜的最大吸收峰分別在541 nm和641 nm處觀察到。第三成分BTA1的波長(zhǎng)主要跨越550-610 nm。因此，引入BTA1以形成具有一個(gè)施主和兩個(gè)受主的三元混合物，也可以提供波長(zhǎng)互補(bǔ)性，以增強(qiáng)與主體混合物相比的LED燈光譜周?chē)墓庾游眨▓D1D和S1）。我們還對(duì)純BTA3薄膜以及具有優(yōu)化重量比的二元和三元共混物進(jìn)行了光致發(fā)光（PL）研究（J52 Cl:BTA3和J52 Cl:BTA3:BTA1；見(jiàn)圖S2）。主體二元混合物和三元混合物的猝滅效率分別約為78.1%和80.7%，表明三元混合物中更有效的激發(fā)態(tài)電荷轉(zhuǎn)移特性。 要點(diǎn)2：OPV電池的光電性能

隨著B(niǎo)TA1作為第三組分的成功，我們進(jìn)一步研究了我們的策略在非鹵化溶劑中的適用性。直接將CF處理的器件中使用的類(lèi)似制造條件和相同的器件結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為四種類(lèi)型的OPV器件，它們由THF、2-甲基THF（Me-THF）、甲苯（TOL）和鄰二甲苯（o-XY）溶劑處理。詳細(xì)的光伏性能如圖2A和S4所示，相應(yīng)的器件光伏參數(shù)分別總結(jié)在表1和S3中。THF處理的二元和三元器件表現(xiàn)出比其他三種相應(yīng)器件更好的PCE。THF處理的J52 Cl:BTA3器件的PCE為10.60%（VOC=1.243 V，JSC=12.90 mA cm−2），F(xiàn)F=66.12%）。

此外，非常低的PCE為0.62%（VOC為1.332 V，JSC為1.50 mA cm−2），在J52-Cl:BTA1二元系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了30.88%的FF。重要的是，通過(guò)向J52 Cl:BTA3主體混合物中添加約20%的BTA1，VOC、JSC和FF值同時(shí)增加到1.275 V、12.98 mA cm−2和67.76%，總PCE為11.22%，這是VOC超過(guò)1.20 V的OPV的最高值和重大突破。優(yōu)化的二元和三元器件的相應(yīng)EQE曲線(xiàn)如圖2B所示，計(jì)算的JSC值如表1所示。從三個(gè)系統(tǒng)獲得的統(tǒng)計(jì)光伏指標(biāo)和PCE直方圖如圖2C所示，表明相應(yīng)設(shè)備性能的良好再現(xiàn)性。這些結(jié)果表明，環(huán)境友好的溶劑可以促進(jìn)高效IOPV在綠色和低碳生活中的進(jìn)一步實(shí)際應(yīng)用。

要點(diǎn)3：二元和三元IOPV的光伏性能對(duì)比
研究人員使用了一種常用的LED（2700 K）燈來(lái)模擬室內(nèi)照度。在200、500和1000 lux下，通過(guò)所有發(fā)射光譜計(jì)算的積分功率值分別為60.60、150.82和300.73 mW cm2（圖4A）。

由于輸入光子數(shù)增加，隨著光強(qiáng)度從200勒克斯提高到1000勒克斯（表2），主機(jī)二元（圖3B）和最佳三元（圖3C）室內(nèi)設(shè)備的JSC和VOC都顯著增加。在1000 lux LED燈下，THF處理的主機(jī)二元器件的PCE為26.66%，VOC為1.07 V，JSC為96.82 mA cm-2，F(xiàn)F為77.40%，而最佳的三元器件顯示PCE高達(dá)28.84%（VOC=1.12 V，JSC為96.65 mA cm-2和FF=80.27%）。該三元器件在光強(qiáng)為200 lux時(shí)的PCE優(yōu)良率為24.86%，在光強(qiáng)為500勒克斯時(shí)為26.24%。除了暖白光（圖S11、2700 K、1000 lux）外，還對(duì)優(yōu)化的三元器件在自然白光（3500 K、1000 lux）和日光（6500 K、1000Lux）下進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)果表明PCE分別為26.56%和25.26%。

在本文中，作者進(jìn)一步制造了使用THF作為處理溶劑的大型三元IOPV模塊（圖5A），由五個(gè)子電池組成，這些電池通過(guò)ITO到Al互連進(jìn)行單片集成和串聯(lián)。圖5B顯示了在1個(gè)太陽(yáng)照射下測(cè)量的制造的不透明模塊和半透明模塊的J-V曲線(xiàn)，其顯示了不透明模塊的有希望PCE分別為8.71%和5.88%（表3）。在不同光強(qiáng)下（2700 K LED，圖4A和S12C），不透明模塊的J-V曲線(xiàn)如圖5C所示，相應(yīng)器件的室內(nèi)光伏參數(shù)如表3所示。在500 lux LED燈下，三元器件的PCE為19.30%。

此外， PCE 為 21.98% （ V OC =5.34 V ， J SC =18.623μa cm −2 ）， FF=66.47% ），輸出功率（ P out ）為 66.10μW cm −2 在 1000 lux 照明下測(cè)量的同一模塊中獲得 2 個(gè)。 當(dāng)室內(nèi)照度增加到 2000 lux 時(shí)，獲得的 PCE 和 Pout 值分別為 24.07% 和 144.78μW cm −2 分別為。 此外，我們?cè)趫D 5D 中描述了文獻(xiàn)中報(bào)告的 IOPV 模塊在不同 LED 照明下的 PCE 與年份的關(guān)系圖。 令人印象深刻的是，最佳三元器件還顯示了報(bào)告的 IOMV 模塊中的領(lǐng)先 PCE 。 根據(jù)之前的報(bào)告，其幅度為 29.10–144.78μA cm −2 足以驅(qū)動(dòng)許多電子應(yīng)用。 因此，這些結(jié)果啟發(fā)我們最初嘗試用三元光伏模塊代替電池，為溫濕度計(jì)提供電源（圖 5C ）。

四、小結(jié)

物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展迫切需要方便的能源，如室內(nèi)有機(jī)光伏發(fā)電（IOPV），為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備供電。然而，有限的介質(zhì)帶隙受體阻礙了IOPV的發(fā)展。在此，作者報(bào)告了一種適用于室內(nèi)應(yīng)用的三元體系。將BTA1引入J52 Cl:BTA3主體共混物可以?xún)?yōu)化主體材料的能量偏移和分子堆積，并抑制非輻射復(fù)合。因此，四氫呋喃處理的三元器件在1個(gè)太陽(yáng)光下的功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）為11.22%，在1000勒克斯LED燈下的PCE為28.84%。此外，作者還構(gòu)建了大規(guī)模不透明和半透明模塊，PCE分別為22.0%和14.77%。令人印象深刻的是，三元IOPV還顯示出正常的有機(jī)發(fā)光二極管性能。這項(xiàng)工作表明，所設(shè)計(jì)的三元體系在室內(nèi)多功能集成應(yīng)用中具有巨大的潛在發(fā)光功能。

原標(biāo)題：最新Joule：可用于多種場(chǎng)景的室內(nèi)有機(jī)光伏組件