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導(dǎo)語(yǔ)：研究人員通過(guò)優(yōu)化低電壓損耗的光活性層和開(kāi)發(fā)一種有效的調(diào)節(jié)光場(chǎng)分布的方法，制備了高效的雙結(jié)串聯(lián)有機(jī)光伏（OPV）電池，最終獲得了創(chuàng)紀(jì)錄19.64%的光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）。

1.前言

串聯(lián)結(jié)構(gòu)的成功構(gòu)建為實(shí)現(xiàn)高光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）的有機(jī)光伏（OPV）器件提供了一種新的策略。在最簡(jiǎn)單的串聯(lián)電池中，兩個(gè)子電池通過(guò)互連層（ICL）連接，具有相對(duì)較高和較低能量的光子分別在子單元中被吸收和利用。為了實(shí)現(xiàn)高短路電流密度（JSC）和開(kāi)路電壓（VOC），應(yīng)在子電池中使用具有互補(bǔ)吸收光譜和低能量損耗的光活性層，同時(shí)ICL還應(yīng)滿(mǎn)足光學(xué)和電子特性的特定要求。

與單結(jié)器件相比，串聯(lián)器件中光活性材料的選擇受到了更多限制。除了聚焦有效電荷的產(chǎn)生，串聯(lián)結(jié)構(gòu)更強(qiáng)調(diào)子電池之間的光電流平衡，這是因?yàn)樽与姵氐奈展庾V和整個(gè)串聯(lián)電池的光分布顯著影響JSC，光學(xué)控制對(duì)串聯(lián)OPV電池就顯得至關(guān)重要。例如，通過(guò)采用具有不同吸收光譜的光活性材料或調(diào)節(jié)ICL的光學(xué)特性，可以實(shí)現(xiàn)更高的JSC，進(jìn)一步改進(jìn)PCE。此外，利用能量損失相對(duì)較低的光活性材料，可以在串聯(lián)電池中獲得較高的VOC。然而，同時(shí)賦予一個(gè)串聯(lián)器件這些最佳特性是非常具有挑戰(zhàn)性的。

圖1:相關(guān)分子結(jié)構(gòu)及器件特性

2.簡(jiǎn)介

基于以上的因素，近日，中科院化學(xué)研究所侯劍輝研究員團(tuán)隊(duì)與蘇州大學(xué)張茂杰教授團(tuán)隊(duì)展開(kāi)合作，采用基于PBDB-TF:ITCC和PBDB-TF:BTP-eC11的體系分別構(gòu)建了串聯(lián)OPV器件的底部子電池和頂部子電池。研究人員細(xì)致地研究了兩組子電池的組成、單結(jié)電池的光伏特性和串聯(lián)電池中的光場(chǎng)分布之間的相關(guān)性。通過(guò)微調(diào)頂部子電池的組成和厚度，研究發(fā)現(xiàn)300 nm厚的PBDB-TF:BTP-eC11薄膜（D/A比為1:2）是最理想的光活性層。當(dāng)利用MoOx/Ag/ZnO:PFN-Br作為ICL時(shí)，最終成功制備了高效的串聯(lián)電池。

圖2:相關(guān)器件的光伏性能

研究結(jié)果顯示，對(duì)于結(jié)構(gòu)為ITO/ZnO/PBDB-TF:ITCC=1:1100 nm/ICL/PBDB-TF:BTP-eC11=1:2300 nm/MoOx/Ag的優(yōu)化串聯(lián)電池，可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)19.64%的PCE，經(jīng)NIM認(rèn)證為19.50%。通過(guò)相關(guān)分析，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)頂部子電池的D/A比為1:2時(shí)，填充因子（FF）在厚度變化的情況下受影響較小，而JSC卻明顯較高。雖然從最佳串聯(lián)電池中獲得了創(chuàng)紀(jì)錄的PCE，但兩個(gè)子電池之間的光吸收競(jìng)爭(zhēng)保持在400-700 nm的范圍內(nèi)，并且底部子電池中的電壓損失仍然大于頂部子電池中的電壓損失（0.65 V vs 0.51 V）。因此，進(jìn)一步提高串聯(lián)OPV器件的PCE仍有很大的空間。

圖3:器件結(jié)構(gòu)與外量子效率測(cè)試

3.總結(jié)

綜上，該工作通過(guò)優(yōu)化低電壓損耗的光活性層和開(kāi)發(fā)一種有效的調(diào)節(jié)光場(chǎng)分布的方法，制備了高效的雙結(jié)串聯(lián)OPV電池，最終獲得了創(chuàng)紀(jì)錄19.64%的PCE。相關(guān)研究成果現(xiàn)已發(fā)表在國(guó)際材料類(lèi)頂級(jí)期刊《Advanced Materials》上，題為“A Tandem Organic Photovoltaic Cell with 19.6% Efficiency Enabled by Light Distribution Control”。

本文關(guān)鍵詞：有機(jī)光伏，串聯(lián)器件，電壓損耗，PBDB-TF，ITCC，BTP-eC11。


PBDB-TF：1802013-83-7


PFN-Br：889672-99-5 

原標(biāo)題：侯劍輝&張茂杰AM:效率19.6%！串聯(lián)有機(jī)光伏電池創(chuàng)新紀(jì)錄！