有機光伏電池(OPVs)以其輕薄、柔性、可印刷等優(yōu)勢,在過去幾年中吸引了廣泛的關(guān)注,被認(rèn)為是下一代光伏技術(shù)的理想選擇。然而,OPVs 的效率和穩(wěn)定性仍然落后于傳統(tǒng)硅太陽能電池。非稠合受體材料因其結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉,備受研究人員關(guān)注,但基于非稠合受體材料的器件效率一直難以突破。
中國科學(xué)院化學(xué)研究所侯建輝教授團隊近期取得重大突破,通過巧妙設(shè)計合成新型非稠合受體材料,成功將基于全非稠合受體材料的器件效率提升至 16.1%,創(chuàng)下了該領(lǐng)域的新紀(jì)錄。這一研究成果發(fā)表在國際頂尖期刊《Journal of the American Chemical Society》上。
非稠合受體材料:挑戰(zhàn)與機遇
非稠合受體材料,如噻吩-苯-噻吩 (TBT) 結(jié)構(gòu),因其結(jié)構(gòu)簡單及多樣性、易于合成加工,具有成本優(yōu)勢,另外,可調(diào)控光電性質(zhì)其能級、帶隙和電荷遷移率,以滿足不同應(yīng)用需求,因此在有機光伏領(lǐng)域備受關(guān)注。然而,由于其分子結(jié)構(gòu)的限制,基于非稠合受體材料的器件效率普遍較低。
l 分子堆積: 非稠合受體材料的分子間作用力較弱,容易形成無序的分子堆積,阻礙電荷傳輸,降低器件效率。
l 能量損失: 非稠合受體材料的電致發(fā)光效率較低,導(dǎo)致更多的能量以非輻射形式損失,降低器件的開路電壓 (VOC) 和能量轉(zhuǎn)換效率。
l 穩(wěn)定性表現(xiàn)較差: 易受到氧氣和濕氣的影響,導(dǎo)致性能衰減。
l 缺乏系統(tǒng)研究:目前對非稠合受體材料的研究相對較少,缺乏系統(tǒng)的設(shè)計和優(yōu)化策略,阻礙了其全面發(fā)展。
團隊的創(chuàng)新策略
針對非稠合受體材料的缺陷,提出了巧妙的分子設(shè)計策略,有效地提升了器件的效率。研究人員設(shè)計合成了三種 TBT 基受體材料:TBT-10、TBT-11 和 TBT-13。
l 側(cè)鏈工程: 通過在 TBT 單元上引入不同位置的支鏈,研究人員發(fā)現(xiàn),僅在 α 位引入具有較大空間位阻的支鏈的 TBT-13,展現(xiàn)出更平坦、更穩(wěn)定的構(gòu)型。
l 優(yōu)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: 高結(jié)晶性的 α-FAPbI3 薄膜具有更低的陷阱密度,有利于電荷傳輸,減少電荷重組,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(zhuǎn)換效率達(dá)到 16.1%,突破了基于全非稠合受體材料的器件效率紀(jì)錄。
l 該研究為設(shè)計合成高性能、低成本的有機光伏材料提供了新的思路,為推動有機光伏技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供了重要參考。
未來展望
未來,研究人員將繼續(xù)探索如何設(shè)計合成具有更高電致發(fā)光效率和更寬光譜響應(yīng)的非稠合受體材料,并結(jié)合先進(jìn)的表征手段和模擬計算,進(jìn)一步提升有機光伏電池的效率和穩(wěn)定性。
材料優(yōu)化的可能性
l 分子結(jié)構(gòu)設(shè)計: 可以進(jìn)一步探索不同結(jié)構(gòu)的非稠合受體,例如,通過引入其他共軛單元,調(diào)節(jié)分子能級和電子云分布,提高電致發(fā)光效率和光譜響應(yīng)范圍。
l 側(cè)鏈修飾: 可以對側(cè)鏈進(jìn)行修飾,例如,調(diào)整側(cè)鏈的長度和分支結(jié)構(gòu),以優(yōu)化分子堆積和薄膜形貌,提高器件的穩(wěn)定性和電荷傳輸性能。
l 材料合成工藝: 可以開發(fā)新的合成方法,以制備更純凈、更均一的非稠合受體材料,進(jìn)一步提高器件的效率。
可能的應(yīng)用領(lǐng)域
期許在未來發(fā)展非稠合受體材料的有機光伏電池上,因其結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、可印刷等優(yōu)勢,具有廣闊的應(yīng)用前景,例如:
l 柔性太陽能電池: 可用于柔性顯示器、穿戴式電子設(shè)備等。
l 透明太陽能電池: 可用于建筑玻璃、汽車玻璃等,實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保。
l 低成本太陽能電池: 可用于大規(guī)模應(yīng)用,例如,用于分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)。
Fig S11.該圖展示了兩種基于 TBT-13 的 OPV 器件的 J-V 曲線和 EQE 曲線。
重要性: 該圖展示了不同供體材料與 TBT-13 形成的 OPV 器件的性能,幫助比較不同供體材料對器件效率的影響。
Fig S12. 該圖展示了不同材料體系的歸一化電致發(fā)光 (EL) 光譜和 s-EQE 光譜以及相應(yīng)的擬合曲線,以及 PTVT-BT: A4T-32 器件的 EQEEL 曲線。
重要性: 該圖幫助分析不同材料體系的電致發(fā)光效率,并比較不同器件的電致發(fā)光性能。
Fig S16.該圖展示了不同材料體系的 VOC 和 JSC 與光強度的關(guān)系。
重要性: 該圖幫助分析器件的電荷分離和傳輸效率,以及器件的性能與光強度的關(guān)系。
原文出處: Journal of the American Chemical Society
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