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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
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光焱科技股份有限公司为您提供《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》,该方案主要用于太阳能中光电效应检测,参考标准《暂无》,《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》用到的仪器有光焱科技QE-R量子效率系统。
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