西安交大在新型掺杂聚合物太阳电池协同形貌优化方面取得进展

得益于低成本、柔性及易于大面积生产的优势,有机太阳能电池近年来一直受到学术界和工业界的广泛关注。然而有机半导体材料本身的结构无序性和低介电常数制约了有机太阳能电池的电荷分离和传输效率,限制了器件的光伏性能。分子掺杂能有效优化其活性层的半导体性能,有望成为一种有效的新兴器件优化手段。然而目前以氧化还原反应为机理的电荷转移掺杂会在一定程度上破坏有机半导体材料的共轭结构,同时严格的能级匹配,也极大限制了掺杂剂与可掺杂材料的选择范围,最终制约了掺杂型有机太阳能电池的器件性能优化。

针对上述问题,西安交通大学金属材料强度国家重点实验室有机光电子材料及界面课题组(LOGIC)根据有机光伏材料杂原子上普遍含有孤对电子的特点,以含有空轨道的路易斯酸-三(五氟苯基)硼烷作为新型掺杂剂,开展了体相异质结掺杂有机太阳能电池的研究。路易斯酸碱反应掺杂中的转移电荷来自于杂原子上的孤对电子,避免了掺杂对有机半导体材料共轭结构的破坏;同时基于轨道杂化的掺杂机理,突破了传统的能级限制,有效扩展了掺杂材料的选择范围。器件研究表明该种掺杂剂对富勒烯及非富勒烯有机太阳能电池均具有性能提升的作用。结合同步辐射技术,研究人员进一步发现路易斯酸掺杂剂在电子结构调控之外还具有活性层纳米结构调控的作用。三(五氟苯基)硼烷能有效提高富勒烯及非富勒烯受体材料的结晶性,从而对体相异质结材料的相区尺度和纯度进行优化调控。这项工作为活性层掺杂有机太阳能电池性能的进一步提升提供了新的策略。

上述研究成果以“Lewis Acid Doping Induced Synergistic Effects on Electronic and Morphological Structure for Donorand Acceptor in Polymer Solar Cells”为题发表在Wiley旗下材料类期刊Advanced Energy Materials上。材料学院闫晗特聘研究员为本文的第一作者,马伟教授和闫晗特聘研究员为本文的通讯作者,西安交通大学为本文的唯一单位。

该工作得到科技部重点研发计划、国家自然科学基金和西安交大基本科研业务费的支持。

文章链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.201703672