港理工大李刚教授团队与UCLA二元有机太阳能电池突破性研究

智能文字提取功能测试中

【二元有机太阳能电池：高效、低成本的未来能源】二元有机太阳能电池 (Binary Organic Solar Cell, BOSC) 是一种利用两种有机材料组成的太阳能电池。这两种材料通常是供体和受体材料，它们共同形成一个异质结构，以提高光电转换效率。二元有机太阳能电池具有以下特点：l  高效能光电转换： 二元有机太阳能电池利用供体和受体材料的协同作用来吸收和分离光子，这有助于提高光电转换效率。l  材料多样性： 有机材料的种类繁多，且其化学结构可以通过设计进行调整，以优化其光电性能和稳定性。l  轻薄柔性： 二元有机太阳能电池可以制成超薄和柔性的器件，适用于各种表面和结构，这使得其应用范围非常广泛。l  低制造成本： 相较于传统的硅基太阳能电池，有机太阳能电池的制造过程通常需要较低的温度，并且可以使用卷对卷印刷技术，大幅降低生产成本。l  环境友好： 有机材料的制造和处理对环境的影响较小，并且许多有机材料是可再生和可降解的，有助于减少环境污染。然而，二元有机太阳能电池的发展仍然面临着一些挑战，其中最主要的是非辐射复合损耗问题。非辐射复合是指光生电子和空穴在未参与电荷收集的情况下直接复合，导致能量损失，降低效率。因此，如何降低二元有机太阳能电池中的非辐射复合损耗，是提升其性能的关键。【突破性研究_TCB 策略的应用及优势】香港理工大学李刚教授团队与加州洛杉矶大学 Yang Yang 教授合作，在二元有机太阳能电池领域取得了突破性进展，成功开发出了一种非单调中间态操控 (ISM) 策略，有效降低了非辐射复合损耗，并实现了高达 19.31% 的 PCE (经认证为 18.93%)，创造了二元有机太阳能电池效率的新纪录。研究团队利用 1,3,5-三氯苯 (TCB) 作为结晶调节剂，通过精细控制活性层的形态，实现了以下突破：i.           TCB 与活性材料的相互作用TCB 可以与聚合物供体和 NFA 发生相互作用，形成新的相，这在 OSC 中以前从未被报道过。DFT 模拟进一步揭示了 TCB 与活性材料之间通过氢键发生相互作用。这种相互作用能够同时提高聚合物供体和 NFA 的结晶度，促进更有效和平衡的电荷传输过程。ii.           TCB 处理提高器件效率研究人员制备了基于 PM6:Y6 的 OSC，并对比了未经处理、经 DIO 处理和经 TCB 处理的器件性能。结果表明，经 TCB 处理的器件显示出更高的 Voc、Jsc 和 FF，最终获得了 18.06% 的 PCE，是迄今为止基于 PM6:Y6 的二元系统中最高的效率之一。iii.           TCB 处理提升电荷传输和抑制非辐射复合经 TCB 处理的器件表现出更平衡的电子和空穴迁移率，以及更长的 TPV 衰减时间，表明 TCB 处理可以有效地抑制电荷载流子复合。此外，TCB 具有优异的挥发性，可以有效去除，从而减少了陷阱辅助复合。iv.           TCB 处理优化分子堆叠与形态研究人员利用 AFM 和 GIWAXS 表征了经 DIO 和 TCB 处理的混合物。结果表明，经 TCB 处理的混合物具有更高的结晶度，以及更规则的分子堆叠，这有利于电荷传输过程。而经 DIO 处理的混合物则显示出过度的分子聚集，导致更多的陷阱，从而加剧了非辐射复合。【TCB-ISM 策略的广泛适用性】研究团队进一步证实了 TCB-ISM 策略的广泛适用性，他们将该策略应用于五种不同的 OSC 系统中，包括全小分子体系 (BTR-Cl:Y6) 和聚合物:非富勒烯受体体系 (PBDB-T:ITIC、PBDB-T-2Cl:IT-4F、PM1:BTP-eC9 和 PM6:BTP-eC9)，结果表明，TCB 处理的器件在所有这些体系中都表现出比传统的 DIO 处理器件更优秀的光伏性能。特别值得关注的是，在 PM1:BTP-eC9 体系中，使用 TCB-ISM 策略后，器件效率从 DIO 处理的 17.86% 提升至 19.10%。而在 PM6:BTP-eC9 体系中，虽然 DIO 处理的器件已经表现出 17.98% 的高效率，但使用 TCB-ISM 策略后，器件效率进一步提升至 19.31%，创造了二元 OSC 的高效率纪录（经独立第三方认证为 18.93%）。【结论】l   抑制非辐射复合损失的有效性：通过对两种高效率 OSC 体系 (PM1:BTP-eC9 和 PM6:BTP-eC9) 的能量损失 (Eloss) 分析，研究团队发现 TCB-ISM 策略在抑制非辐射复合损失方面表现出显着的优势。在 PM1:BTP-eC9 体系中，TCB 处理的器件的 △E3 值仅为 0.168 eV，这是目前报导的高效率 (PCE > 16%) OSC 中低的非辐射复合损失值。同时，TCB 处理的器件也表现出更高的电致发光量子效率 (EQEEL)，达到了 1.1 × 10?3，这也是目前报导的高效率 OSC 中的最高值。在 PM6:BTP-eC9 体系中，TCB-ISM 处理的器件也表现出类似的 Eloss 趋势，再次验证了 TCB-ISM 策略在抑制非辐射复合损失方面的有效性。值得注意的是，TCB-ISM 处理的器件的 △E3 值略高于 PM1 基础的 OSC，但仍然保持着非常低的水平。l   改善器件稳定性的能力：除了抑制非辐射复合损失，TCB-ISM 策略还可以显着提高器件的稳定性。在最大功率点 (MPP) 跟踪模式下进行的 1000 小时模拟 1 太阳光照射应力测试表明，TCB 处理的器件可以保持 78% 的初始效率，而 DIO 处理的器件仅能保持 69% 的初始效率。更重要的是，TCB 处理的器件的 T80 寿命（器件效率下降至初始值的 80% 所需的时间）为 660 小时，远高于 DIO 处理的器件的 169 小时。研究团队认为，TCB-ISM 策略改善器件稳定性的原因主要包括：n   抑制非富勒烯受体 (NFA) 聚集： TCB 可以诱导形成均匀的分子聚集，抑制孤立的 NFA 聚集体的形成，这些聚集体会充当形态陷阱，加速器件的降解。n   提高结晶度： TCB 处理的混合物具有更高的结晶度，这有助于延缓器件在光照条件下形态的演变。n   无残留： TCB 的优异挥发性可以确保在旋涂过程中去除，避免残留物对器件稳定性的负面影响。【展望未来】二元有机太阳能电池（Binary Organic Solar Cell, BOSC）未来可能运用领域l   建筑整合光伏（BIPV）：二元有机太阳能电池可以用于建筑物的表面，如窗户、幕墙和屋顶，提供绿色能源并且不影响建筑的外观。l   可穿戴设备：其轻薄和柔性的特性使其非常适合用于可穿戴设备，如智能手表、健身追踪器等，提供持续的能源供应。l   便携式电子设备：二元有机太阳能电池可以用于制作便携式太阳能充电器，为手机、平板电脑等设备提供方便的充电方案。l   农业应用：可以用于农业传感器、灌溉系统等，利用太阳能提供电力，提高农业生产效率并减少对传统电源的依赖。l   交通工具：可以应用于电动车、自行车和无人机等交通工具上，利用太阳能延长续航时间并降低对电网的依赖。l   公共设施：二元有机太阳能电池可以用于街灯、公共座椅等户外设施，提供独立的电力供应，减少市政电力消耗。李刚教授团队的研究成果为有机太阳能电池领域的发展提供了新的思路，也证明了非单调中间态转变策略在提高效率和降低非辐射复合损失方面的巨大潜力。为实现更高效率、更稳定、更具应用前景的分子太阳能电池提供了新的方向。【本研究参数图】Figure S15.The copy images of PCE certificate from Enli Tech. Optoelectronic Calibration Lab. for the TCB processed PM6:BTP-eC9 OSCFigure 2. (a) 本工作中使用的器件结构： 此图展示了有机太阳能电池 (OSC) 器件的示意图，说明了不同层排列方式和结构。(b) 基于 PM6:Y6 的 OSC 在使用基準溶劑添加剂 DIO 和 TCB 的情况下的 J-V 曲线： 此图展示了在不同电压下，使用不同溶剂添加剂的器件的电流-电压特性，可以观察到不同溶剂添加剂对器件性能的影响。(c) 基于 PM6:Y6 的 OSC 在使用 DIO 和 TCB 的情况下的 EQE 光谱： 此图展示了使用不同溶剂添加剂的器件在不同波长光照下的外部量子效率 (EQE) 光谱，可以观察到不同溶剂添加剂对器件光电转换效率的影响。(d) 使用 DIO 和 TCB 的 PM6:Y6 基 OSC 的 PCE 直方图： 此图展示了使用不同溶剂添加剂制备的器件的能量转换效率 (PCE) 分布，可以观察到不同溶剂添加剂对器件效率的影响。(e) 使用不同处理方式的 PM6:Y6 器件在不同注入电流密度下的 EQEEL： 此图展示了不同处理方式的器件的电致发光量子效率 (EQEEL) 与注入电流密度的关系，可以观察到不同处理方式对器件光电转换效率的影响。(f) 使用 DIO 和 TCB 处理的 PM6:Y6 器件的详细能量损失： 此图展示了使用不同处理方式的器件的能量损失 (Eloss)，可以观察到不同处理方式对器件能量损失的影响，以及可能的原因。1.     FTPS_傅立叶变换光电流测试仪具有以下特色优势：l  陷阱状态、缺陷状态或电荷转移状态的直接光谱学证据。l  波长范围：1.1~2.07 eV (600nm~1100nm)；选项：0.7 eV~2 eV (600nm~1700nm)。l  Turn-key 解决方案；安装后产生可靠的光谱数据。节省时间和成本效益（至少 1 年和 2 万美元）。l  完整的培训课程，包括操作和基本背景培训。l  不仅仅是数据采集，还包括能级拟合! 提供 CTS 和 Urbach 能级拟合软件。2. REPS_ 钙钛矿与有机光伏Voc损耗分析系统l  可测量：绝对EL-EQE，EL光谱（V），JV曲线，EQE-J。l  该软件可以显示的图表包括。EL-EQE(J), EL-EQE(V), multi-EL-spectra, JVL曲线, ΔE1, ΔE2, 和ΔE3直方图。l  可计算和分析热力学Voc、辐射复合Voc和非辐射复合Voc。     l  波长检测范围:300~1100纳米；并可扩展到1700纳米（选项）。l  NIST可追溯的绝对辐射校准（瓦特，从300~1100纳米）。l  EL-EQE检测范围。10-5%到100%（动态范围7阶）。l  EL-EQE不重复性<1%。l  EL-EQE不重复性<1.5%。l  EL低光检测SN比。>50:1 @5×10-5%（REPS Pro）。l  Glove Box 整合工具包。l 客制的测试夹具。文献参考自 Nature Communications  DIO:10.1038/s41467-023-37526-5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