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突破16.1%！侯剑辉团队突破非稠合受体材料效率瓶颈
2024/06/17 10:08
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方案摘要：
产品配置单：
光焱科技QE-R量子效率系统
型号： QE-R
产地： 台湾
品牌： 光焱科技
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方案详情：
有机光伏电池（OPVs）以其轻薄、柔性、可印刷等优势，在过去几年中吸引了广泛的关注，被认为是下一代光伏技术的理想选择。然而，OPVs 的效率和稳定性仍然落后于传统硅太阳能电池。非稠合受体材料因其结构简单、成本低廉，备受研究人员关注，但基于非稠合受体材料的器件效率一直难以突破。
中国科学院化学研究所侯建辉教授团队近期取得重大突破，通过巧妙设计合成新型非稠合受体材料，成功将基于全非稠合受体材料的器件效率提升至 16.1%，创下了该领域的新纪录。这一研究成果发表在国际顶尖期刊《Journal of the American Chemical Society》上。
非稠合受体材料：挑战与机遇
非稠合受体材料，如噻吩-苯-噻吩 (TBT) 结构，因其结构简单及多样性、易于合成加工，具有成本优势，另外，可调控光电性质其能级、带隙和电荷迁移率，以满足不同应用需求，因此在有机光伏领域备受关注。然而，由于其分子结构的限制，基于非稠合受体材料的器件效率普遍较低。
l 分子堆积： 非稠合受体材料的分子间作用力较弱，容易形成无序的分子堆积，阻碍电荷传输，降低器件效率。
l 能量损失： 非稠合受体材料的电致发光效率较低，导致更多的能量以非辐射形式损失，降低器件的开路电压 (VOC) 和能量转换效率。
l 稳定性表现较差: 易受到氧气和湿气的影响，导致性能衰减。
l 缺乏系统研究：目前对非稠合受体材料的研究相对较少，缺乏系统的设计和优化策略，阻碍了其全面发展。
团队的创新策略
针对非稠合受体材料的缺陷，提出了巧妙的分子设计策略，有效地提升了器件的效率。研究人员设计合成了三种 TBT 基受体材料：TBT-10、TBT-11 和 TBT-13。
l 侧链工程： 通过在 TBT 单元上引入不同位置的支链，研究人员发现，仅在 α 位引入具有较大空间位阻的支链的 TBT-13，展现出更平坦、更穩定的構型。
l 优化分子堆積： TBT-13 與供體材料 PBQx-TF 混合後，能夠形成更有利的 π-π 堆積和聚集特性，有效提升了器件的電荷傳輸性能。降低陷阱密度： 高结晶性的 α-FAPbI3 薄膜具有更低的陷阱密度，有利于电荷传输，减少电荷重组，提高器件的效率。
突破性的成果
l 基于 TBT-13 的 OPV 器件的能量轉換效率達到 16.1%，突破了基于全非稠合受体材料的器件效率紀錄。
l 该研究为设计合成高性能、低成本的有机光伏材料提供了新的思路，为推动有机光伏技术的进一步发展提供了重要参考。
未來展望
未來，研究人员将继续探索如何设计合成具有更高电致发光效率和更宽光谱响应的非稠合受体材料，并结合先进的表征手段和模拟计算，进一步提升有机光伏电池的效率和稳定性。
材料优化的可能性
l 分子结构设计： 可以进一步探索不同结构的非稠合受体，例如，通过引入其他共轭单元，调节分子能级和电子云分布，提高电致发光效率和光谱响应范围。
l 側链修饰： 可以对侧链进行修饰，例如，调整侧链的长度和分支结构，以优化分子堆积和薄膜形貌，提高器件的稳定性和电荷传输性能。
l 材料合成工艺： 可以开发新的合成方法，以制备更纯净、更均一的非稠合受体材料，进一步提高器件的效率。
可能的应用领域
期许在未来发展非稠合受体材料的有机光伏电池上，因其结构简单、成本低廉、可印刷等优势，具有广阔的应用前景，例如：
l 柔性太阳能电池： 可用于柔性显示器、穿戴式电子设备等。
l 透明太阳能电池： 可用于建筑玻璃、汽车玻璃等，实现节能环保。
l 低成本太阳能电池： 可用于大规模应用，例如，用于分布式光伏发电系统。
Fig S11.该图展示了两种基于 TBT-13 的 OPV 器件的 J-V 曲线和 EQE 曲线。
重要性： 该图展示了不同供体材料与 TBT-13 形成的 OPV 器件的性能，帮助比较不同供体材料对器件效率的影响。
Fig S12. 该图展示了不同材料体系的归一化电致发光 (EL) 光谱和 s-EQE 光谱以及相应的拟合曲线，以及 PTVT-BT: A4T-32 器件的 EQEEL 曲线。
重要性： 该图帮助分析不同材料体系的电致发光效率，并比较不同器件的电致发光性能。
Fig S16.该图展示了不同材料体系的 VOC 和 JSC 与光強度的关系。
重要性： 该图帮助分析器件的电荷分离和传输效率，以及器件的性能与光強度的关系。
原文出处: Journal of the American Chemical Society
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2024/07/12
北卡教堂山分校黄劲松研发出强化屏障有效提高稳定性
钙钛矿太阳能电池（PSC）作为下一代光伏技术的重要候选者，近年来取得了飞速的发展， 其光电转换效率已经接近甚至超越了传统晶硅太阳能电池。 然而，钙钛矿太阳能电池的稳定性问题依然是制约其商业化应用的关键难题。 反向偏压（reverse bias）对钙钛矿太阳能电池的稳定性有着重要影响， 它可能导致钙钛矿材料分解， 进而影响电池的长期稳定性。 因此，理解反向偏压对钙钛矿结构和性能的影响是提高电池稳定性的重要研究方向。 研究人员需要深入了解反向偏压条件下钙钛矿材料的降解机制， 以找到提高其稳定性的解决方案。 研究反向偏压下的降解机理能帮助科学家找出钙钛矿太阳能电池的弱点。 这些研究有助于设计更加耐用的材料和结构， 以防止电池在反向偏压条件下快速降解。 同时，反向偏压会导致效率损失，这主要是由于电荷载流子的再结合速率增加以及可能的渗透电流增大。 了解和克服这些问题对于保持高效率运行的钙钛矿太阳能电池至关重要。 研究反向偏压对电池的影响还有助于改进封装技术， 防止环境因素（如湿气和氧气）在反向偏压条件下对钙钛矿材料造成的影响。 近期，北卡罗来纳大学教堂山分校黄劲松教授团队在国际顶尖期刊《Nature Energy》上发表了一项重要研究成果， 揭示了钙钛矿太阳能电池在反向偏压下失效的机理， 并通过构建强化屏障， 显着提高了钙钛矿太阳能电池在反向偏压下的稳定性。
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