三元有机光伏器件的研制

　　化石能源是目前全球消耗的最主要能源，随着人类的不断开采，化石能源面临着枯竭的危机。化石能源的使用造成了严重的环境污染，引发温室效应、雾霾、酸雨等灾害，威胁全球生态。因此开发清洁的可再生能源日益引起人们广泛关注，这也是我国实现可持续发展的重要战略举措。开发利用太阳能是解决能源危机和环境污染的有效途径。作为一种光电转换技术，有机光伏器件因其重量轻、低成本、柔性、可大面积制备等优势受到广泛关注。 

　　大部分有机半导体材料吸收窗较窄，这使得传统二元有源层光子俘获能力受限。三元有机光伏器件通过在传统的二元体系中引入第三组分(给体或受体)，从而提高有源层对光子的俘获，被认为是提高器件性能的有效手段。此外，第三组分的引入还可以有效改善给受体相分离程度，分子排布，分子域的大小，结晶性等，实现器件性能的优化。利用同步辐射掠入射X射线衍射（GIXRD）可以探究第三组分的引入对混合薄膜内分子排布的影响，为器件性能的变化提供更加有利的支撑。 

　　GIXRD表征手段主要存在以下几点优势： 

　　1. 检测样品表面信息，避免衬底信号； 

　　由于入射角很小，X 射线和材料表面的作用区域较大，提高了 X 射线对表层信息检测的灵敏性，可以避免来自衬底的强烈信号，特别适合薄膜的结构分析。 

　　2. 检测不同深度的信息； 

　　通过改变不同的入射角，可以得到不同深度的结构信息，检测连续层结构相变化。 

　　3. 检测分子择优取向； 

　　当薄膜材料为无择优取向的多晶时，小角掠入射衍射峰与常规的XRD衍射峰相同，分析方法亦相同；当薄膜材料中有一定的择优取向时，掠入射衍射峰就会和常规的XRD衍射峰不一样，将体现出择优取向的相关信息。 

　　依托北京同步辐射装置1W1A-漫散射实验站的GIXRD技术，北京交通大学张福俊课题组获得了纯薄膜、二元混合薄膜和三元混合薄膜的面内、面外方向的衍射图。研究人员通过衍射峰的位置、强度、宽度和分布得出在纯薄膜及混合薄膜中分子的face-on或edge-on取向、分子链间间距、π-π堆积的强弱、结晶尺寸等信息。在基于PBDB-T-2F:FTTCN:IT-2F和PM6:J71:Br-ITIC为有源层的三元体系中，研究人员发现当第三组分FTTCN或J71的含量为20wt%时，face-on取向的分子排布更为有序，这更有利于三元有源层内电荷的传输及器件性能的提升。在PM6:J71:Br-ITIC体系中，当J71在给体中的含量增加至60 wt%时，分子排布依旧可以很好保持，也证明了所用材料之间较好的兼容性。在基于PTB7-Th:BDTThIT-4F:IEICO-4F为有源层的三元体系中，随着IEICO-4F含量的增多，edge-on取向分子排布逐渐增强，face-on取向分子排布逐渐减弱，这很好地解释了器件填充因子的变化。相关工作发表在Nano Energy 59 (2019) 58，Nano Energy 60 (2019) 768，Nano Energy 55 (2019) 424。 

　　图1. 基于PBDB-T-2F:FTTCN:IT-2F（a,b），PTB7-Th:BDTThIT-4F:IEICO-4F(c,d)，PM6:J71:Br-ITIC(e)的混合薄膜的GIXRD图。

　　发表文章： 

　  1. Miao Zhang, Ruijie Ming, Wei Gao, Qiaoshi An, Xiaoling Ma, Zhenghao Hu, Chuluo Yang, Fujun Zhang, Ternary polymer solar cells with alloyed non-fullerene acceptor exhibiting 12.99% efficiency and 76.03% fill factor. Nano Energy 59 (2019) 58-65.

　　2.  Qiaoshi An, Jian Wang, Fujun Zhang. Ternary polymer solar cells with alloyed donor achieving 14.13% efficiency and 78.4% fill factor. Nano Energy 60 (2019) 768-774.

    3. Zhenghao Hu, Jian Wang, Zhi Wang, Wei Gao, Qiaoshi An, Miao Zhang, Xiaoling Ma, Jianxiao Wang, Jianli Miao, Chuluo Yang, Fujun Zhang. Semitransparent ternary nonfullerene polymer solar cells exhibiting 9.40% efficiency and 24.6% average visible transmittance. Nano Energy 55 (2019) 424-432.