导语：研究人员通过优化低电压损耗的光活性层和开发一种有效的调节光场分布的方法，制备了高效的双结串联有机光伏（OPV）电池，最终获得了创纪录19.64%的光电转换效率（PCE）。
1.前言
串联结构的成功构建为实现高光电转换效率（PCE）的有机光伏（OPV）器件提供了一种新的策略。在最简单的串联电池中，两个子电池通过互连层（ICL）连接，具有相对较高和较低能量的光子分别在子单元中被吸收和利用。为了实现高短路电流密度（JSC）和开路电压（VOC），应在子电池中使用具有互补吸收光谱和低能量损耗的光活性层，同时ICL还应满足光学和电子特性的特定要求。
与单结器件相比，串联器件中光活性材料的选择受到了更多限制。除了聚焦有效电荷的产生，串联结构更强调子电池之间的光电流平衡，这是因为子电池的吸收光谱和整个串联电池的光分布显著影响JSC，光学控制对串联OPV电池就显得至关重要。例如，通过采用具有不同吸收光谱的光活性材料或调节ICL的光学特性，可以实现更高的JSC，进一步改进PCE。此外，利用能量损失相对较低的光活性材料，可以在串联电池中获得较高的VOC。然而，同时赋予一个串联器件这些最佳特性是非常具有挑战性的。
图1:相关分子结构及器件特性
2.简介
基于以上的因素，近日，中科院化学研究所侯剑辉研究员团队与苏州大学张茂杰教授团队展开合作，采用基于PBDB-TF:ITCC和PBDB-TF:BTP-eC11的体系分别构建了串联OPV器件的底部子电池和顶部子电池。研究人员细致地研究了两组子电池的组成、单结电池的光伏特性和串联电池中的光场分布之间的相关性。通过微调顶部子电池的组成和厚度，研究发现300 nm厚的PBDB-TF:BTP-eC11薄膜（D/A比为1:2）是最理想的光活性层。当利用MoOx/Ag/ZnO:PFN-Br作为ICL时，最终成功制备了高效的串联电池。
图2:相关器件的光伏性能
研究结果显示，对于结构为ITO/ZnO/PBDB-TF:ITCC=1:1100 nm/ICL/PBDB-TF:BTP-eC11=1:2300 nm/MoOx/Ag的优化串联电池，可以实现高达19.64%的PCE，经NIM认证为19.50%。通过相关分析，研究发现，当顶部子电池的D/A比为1:2时，填充因子（FF）在厚度变化的情况下受影响较小，而JSC却明显较高。虽然从最佳串联电池中获得了创纪录的PCE，但两个子电池之间的光吸收竞争保持在400-700 nm的范围内，并且底部子电池中的电压损失仍然大于顶部子电池中的电压损失（0.65 V vs 0.51 V）。因此，进一步提高串联OPV器件的PCE仍有很大的空间。
图3:器件结构与外量子效率测试
3.总结
综上，该工作通过优化低电压损耗的光活性层和开发一种有效的调节光场分布的方法，制备了高效的双结串联OPV电池，最终获得了创纪录19.64%的PCE。相关研究成果现已发表在国际材料类顶级期刊《Advanced Materials》上，题为“A Tandem Organic Photovoltaic Cell with 19.6% Efficiency Enabled by Light Distribution Control”。
本文关键词：有机光伏，串联器件，电压损耗，PBDB-TF，ITCC，BTP-eC11。
PBDB-TF：1802013-83-7
PFN-Br：889672-99-5
