中科院侯剑辉团队吡咯环提升室内OPV电池PCE达25.4%

前言

有机光伏（OPV）电池因其轻薄柔性、可印刷等优势，被视为具潜力的下一代可再生能源技术。然而，效率和稳定性不足一直制约着OPV的商业化应用。

中科院侯剑辉团队发表在期刊《Advanced Energy Materials》(29 Mar.Doi:10.1002/aenm.202303605)上的研究成果显示，通过在非富勒烯受体材料中引入吡咯环，可以显着提升有机光伏（OPV）电池在室内光照下的发电性能。研究团队设计合成了两种新型材料FICC-EH和FICC-BO，并发现它们在有机发光二极管（OLED）中展现出优异的量子效率，其中FICC-BO基OLED器件的量子效率更是高达0.1%，这在OPV材料中属于相当亮眼的成绩。更重要的是，基于FICC-BO的OPV电池在室内1000 lux LED光照下实现了25.4%的功率转换效率（PCE），远高于标准光照（AM1.5G）下的12.0% PCE，充分展现了吡咯环在提升室内OPV电池性能方面的巨大潜力。

导读目录

1.       前言

2.       研究方法－烷基链调控与合成路线全解析

3.       表征方法

l   光电性能测量

l   光学性质测量

l   结构和形态学分析

l   化学结构和组成分析

l   电化学性质测量

4.       结论－提升有机光伏电池性能的策略：吡咯环

研究方法－烷基链调控与合成路线全解析

为了设计和合成两种新型材料FICC-EH和FICC-BO，研究人员首先在共轭骨架中加入了两个吡咯环，并对吡咯环上的烷基链进行了调节，以控制其聚集特性。具体的合成路径如下：

1. FICC-EH和FICC-BO的合成使用了Na2CO3作为催化剂，在THF/H2O（5:1）混合溶剂中，以Pd(PPh3)2Cl2作为催化剂，反应温度为60℃。
        
        

2. 接着使用三乙基磷酸酯和o-二氯苯在180℃下进行反应，然后使用KOH、KI和DMF在100℃下进行反应。
        

3. 最后使用POCI3和DMF在室温下进行反应，并使用吡啶和氯仿在室温下进行反应。

通过这些步骤，研究人员成功合成了FICC-EH和FICC-BO，并通过量子化学计算和实验测试来优化其结构和光电特性。

表征方法

1. 光电性能测量：

• J-V测量：评估太阳能电池的光电转换效率，利用Enlitech的SS-X50太阳能模拟器进行J-V测量，评估OPV电池在标准太阳光照条件（AM1.5G）下的开路电压（Voc）、短路电流密度（Jsc）、填充因子（FF）和功率转换效率（PCE）。

• EQE（外部量子效率）测量：使用Enlitech的QE-R3011太阳能电池光谱响应测量系统被用来测量外部量子效率（EQE）光谱，评估太阳能电池在不同波长下的光电转换效率。
        

       
        图5b：展示了PBQx-TF和PBQx-TF基电池的外部量子效率（EQE）曲线。
       
       

• EQEEL（电致发光外部量子效率）测量：使用Enlitech的ELCT-3010（现Enlitech REPS）测量EQEEL曲线，评估材料的电致发旋光性能。
        

  
        
        根据图2a，FICC-EH和FICC-BO的EQEEL值约为4.1 x 10^-4，这显著高于ITIC系列，并接近Y系列的水平。

  
  

• FTPS-EQE测量：利用Enlitech的PECT-600（现Enlitech FTPS）进行FTPS-EQE测量，分析电池的能量损失（Eloss）和带隙（Eg），并确定材料的光电转换特性。
        

  
        
        图S12a：展示电致发光和高灵敏度外部量子效率（s-EQE）测量，以研究两种有机光伏（OPV）电池的能量损失（Eloss）。在图S12a（支持信息）中显示，OPV电池的带隙（Eg）可以通过dEQE/dE的导数来确定。PBQx-TF和PBQx-TF基电池的带隙分别为1.69 eV和1.70 eV

  
        

  
        
        图S12b、c：s-EQE曲线的拟合结果，从而帮助确定PBQx-TF和PBQx-TF基电池的能量损失（Eloss）。这些电池的Eloss分别为0.65 eV和0.66 eV。

  
        

• Photo-CELIV（光诱导电荷载流子提取）测量：评估太阳能电池的电荷载流子动力学。

• OLED性能测量：使用Enlitech的LQ-50X测量OLED的性能，包括发光光谱和发光效率，其中FICC-BO被用作OLED的发光层材料。
        

        
        Figure 2b：这张图表展示了OLED的结构，具体为ITO/PEDOT/FICC-BO/TPBi/LiF/Al。这有助于理解OLED的组成和层次结构。

  
  

  
        
        Figure 2c：显示了OLED的发射光谱，主要覆盖700到850 nm的范围，并在759 nm处达到发射峰值。表示OLED的发光特性和颜色纯度

  
        
        Figure 2d：展示了OLED在宽电压范围内的量子效率（QE）值，显示出稳定的0.1% QE，这表明OLED的性能稳定性。

1. 光学性质测量：

• TA（瞬态吸收）测量：研究材料的激发态动力学。

• 紫外-可见吸收光谱测量：测量材料的吸收光谱。
        
        图1d：FICC-EH和FICC-BO在溶液和薄膜状态下的紫外-可见吸收光谱。这些光谱显示了它们的最大吸收峰和吸收起始点，

  
  

• 室内光谱辐射度校准：校准室内光的谱放射度。
        
        图5h：用于室内OPV电池测试的3000K LED光源的发射光谱。
       
       

o    LED（3000K）的谱放射度测量：使用Enlitech的HS-IL分光计校准室内光（LED，3000K）的谱放射度，并利用3000K LED灯提供1000 lux的照明，模拟室内照明条件，评估OPV电池在室内环境下的Voc、Jsc、FF和PCE。

1. 结构和形态学分析：

• GIWAXS（掠入射广角X射线散射）测量：分析材料的晶体结构和薄膜形态。

• AFM（原子力显微镜）测量：观察材料的表面形态。

2. 化学结构和组成分析：

• NMR（核磁共振）测量：确定材料的化学结构。

• MALDI-TOF质谱测量：分析材料的分子质量和化学组成。

3. 电化学性质测量：

• 电化学循环伏安法测量：研究材料的氧化还原行为和能级。

结论－提升有机光伏电池性能的策略：吡咯环

本研究证实，在非富勒烯受体材料（NFAs）的共轭骨架中引入吡咯环，可以提升其光电性能，为开发高效有机光伏（OPV）电池提供助力。

设计合成的两种新型非富勒烯受体材料FICC-EH和FICC-BO，在有机发光二极管（OLED）中展现出良好的量子效率。其中，FICC-BO基OLED器件的量子效率达到0.1%。

此外，基于FICC-BO的OPV电池在标准光照（AM1.5G）下实现了12.0%的功率转换效率（PCE），在室内1000 lux LED光照下实现了25.4%的PCE，证实了吡咯环在提升OPV电池性能方面的潜力。

吡咯环的引入为降低OPV电池的能量损失和拓展其在光电领域的应用提供了可能性，未来有望在室内光伏等领域发挥作用。

文献参考自Advanced Energy Materials 29 Mar_Doi:10.1002/aenm.202303605

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