高效有机太阳能电池成功非稠环电子受体材料与溶解度控制策略

有机太阳能电池（OSCs）作为一种新型光伏技术，因其成本低廉、可柔性化、可印刷等优势，近年来备受关注。为了进一步提升 OSCs 的效率，研究人员不断探索新型的电子受体材料，其中非稠环电子受体 (NFREAs) 因其合成成本低于稠环受体而备受青睐。然而，NFREAs 的分子结构特点，如低骨架平面性和庞大的取代基，会导致其结晶度较差，进而阻碍电荷传输和形成有利于电荷分离的双连续结构，影响器件的效率。【非稠环电子受体材料：低成本的潜力之星】传统的有机太阳能电池主要采用稠环电子受体材料，例如ITIC、Y6 等。这些材料具有良好的平面性和强烈的分子间相互作用，有利于形成有序的晶体结构，提高电荷传输效率。然而，稠环受体的合成步骤复杂，成本较高，限制了其大规模应用。非稠环电子受体 (NFREAs) 相比稠环受体，具有合成步骤简单、成本低廉的优势。但由于其分子结构特点，如低骨架平面性和庞大的取代基，导致其结晶度较差，进而影响电荷传输和器件效率。其对电池性能的提升具有重要意义。以下是一些关键性因素：l  分子结构的多样性：非稠环电子受体材料通常具有灵活的分子设计空间，能够通过引入不同的官能团或改变分子骨架结构，调节其光电性能。这种设计自由度有助于优化材料的能级匹配、吸收光谱和电子传输性能，从而提高太阳能电池的整体效率。l  低能隙和高吸光系数：许多非稠环电子受体材料具有较低的能隙和较高的吸光系数，能够有效吸收太阳光的可见光部分。这种特性使得它们在更宽的光谱范围内捕捉光子，提升光电转换效率。l  改善的电子迁移率：非稠环电子受体材料在分子设计上可以优化电子迁移率，减少电子-空穴对在传输过程中的复合损失。高电子迁移率有助于提升电池的短路电流和填充因子，从而增强电池的整体性能。l  稳定性和可加工性：这些材料通常表现出较好的环境稳定性和溶液加工特性，使得它们在大面积制备和实际应用中具有优势。稳定的材料性能可以延长太阳能电池的使用寿命，而良好的可加工性则有助于降低生产成本。l  界面工程的优化：在有机太阳能电池的制备过程中，非稠环电子受体材料能够与其他层（如给体材料、界面层）形成良好的界面，减少界面缺陷和能级错配问题。优化的界面工程可以进一步提升电荷分离效率和电池的整体性能。【溶解度控制策略：精准调控材料结晶和相分离】为了克服 NFREAs 结晶度差的难题，上海交通大学刘峰研究员团队 与 北京师范大学薄志山教授团队 和 北京航空航天大学朱磊研究员团队 合作，提出了一种基于溶解度控制策略，精准调控电子给体和受体材料的结晶和相分离过程，从而提高器件效率。该团队选择了一对溶剂：氯仿和邻二甲苯，它们具有不同的沸点和蒸发速率，以及对不同材料的溶解性差异。通过控制两种溶剂的挥发速率，他们成功实现了对电子给体聚合物 (例如 D18) 和非稠环电子受体 (例如 2BTh-2F-C2) 的结晶和相分离的独立调控。【双连续结构：高效电荷分离的关键】该团队通过实验观察发现，氯仿的挥发会导致 D18 开始组装成纤维状结构，而邻二甲苯的挥发则会诱导 2BTh-2F-C2 快速形成纯相域，最终形成一种双连续结构。这种结构使得电子给体和受体材料在活性层中形成互穿网络，有效地扩大了电荷分离和传输的界面，提高了电荷传输效率和器件的功率转换效率。基于这种溶解度控制策略，该团队成功制备了高效的有机太阳能电池。小面积器件的效率达到 19.02%，1 cm2 器件的效率也达到了 17.28%，这是目前非稠环电子受体材料体系中较高的效率。【展望】该研究团队利用溶解度控制策略，巧妙地调控了电子给体和受体材料的结晶和相分离，最终获得了高效的双连续结构，突破了非稠环电子受体材料在有机太阳能电池中的应用瓶颈。这项研究为开发低成本、高效的有机太阳能电池提供了新的思路和方向，为未来更广泛的应用开辟了新的路径。研究团队: 该研究由 上海交通大学刘峰团队 与 北京师范大学薄志山团队 和 北京航空航天大学朱磊团队 合作完成。l   上海交通大学刘峰副研究员-主要研究领域为强激光驱动的高次谐波辐射、激光尾波场电子加速。l   北京师范大学薄志山教授-主要研究领域有共轭聚合物合成，光电功能分子，聚合物太阳电池及共轭分子自组装。l   上海交通大学朱磊-主要研究领域有机太阳能电池。未来，研究人员将继续探索更有效的材料和工艺，以进一步提高有机太阳能电池的效率和稳定性，为实现有机光伏技术的广泛应用奠定坚实基础参考文献Achieving 19% efficiency in non-fused ring electron acceptor solar cells via solubility control of donor and acceptor crystallization Nature Energy 2024【本研究参数图】Fig 2.    设备性能:图a: 电流密度-电压曲线，展示了不同设备在不同电压下的电流密度。图b: 外量子效率(EQE)随波长变化的曲线，比较了不同设备的光电响应。图c: 功率转换效率(PCE)的直方图，显示了不同设备的PCE分布。图d: PCE与活性层厚度的关系图，展示了不同设备在不同厚度下的PCE变化。图e: 雷达图，比较了不同设备在PCE、Jsc、Voc和FF四个参数上的性能。图f: 热图，展示了不同设备在不同参数组合下的PCE值。Fig 3. 图a: 显示了不同材料（GQDs、CQDs、CQDs/ET）的延迟时间与光强度的关系。图b: 柱状图比较了不同材料在不同温度下的光电流（Iph）。图c: 显示了不同材料在不同栅压（Vg）下的电流-电压（I-V）特性曲线。图d: 显示了不同材料在不同电荷密度下的迁移率（Mobility）。图e: 显示了不同材料在不同电荷密度下的电导率（Conductivity）。图f: 显示了不同材料在不同电荷密度下的电流-电压（I-V）特性曲线。使用设备：QE-R_ 光伏/ 太阳能池量子效率光学仪       以下几点优势，可应对材料测试面临的挑战：l   以紧凑的设计，尺寸大小 502.4mm(L) x 322.5mm(W) x 352mm(H)，搭配4吋外径PTFE材质的积分球，并且整合NIST追溯的校准，让手套箱整合PL与PLQY成为可能。l   利用先进的仪表控制程序，可以进行原位时间PL光谱解析，并且可产生2D与3D图表，说明使用者可以更快地表征材料在原位时间的变化。l   系统光学设计可容易的做红外扩展，波长由700-1100nm， 可展延至1700nm。粉末、溶液、薄膜样品都可相容测试。文献参考自 NATURE ENERGY  DIO:10.1038/s41560-024-01564-0本文章为Enlitech光焱科技改写 用于科研学术分享 如有任何侵权  请来信告知