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中科院侯劍輝團(tuán)隊吡咯環(huán)提升室內(nèi)OPV電池PCE達(dá)25.4%

發(fā)表時間:2024/9/16 17:15:14

前言

有機(jī)光伏(OPV)電池因其輕薄柔性、可印刷等優(yōu)勢,被視為具潛力的下一代可再生能源技術(shù)。然而,效率和穩(wěn)定性不足一直制約著OPV的商業(yè)化應(yīng)用。

中科院侯劍輝團(tuán)隊發(fā)表在期刊《Advanced Energy Materials(29 Mar.Doi:10.1002/aenm.202303605)上的研究成果顯示,通過在非富勒烯受體材料中引入吡咯環(huán),可以顯著提升有機(jī)光伏(OPV)電池在室內(nèi)光照下的發(fā)電性能。研究團(tuán)隊設(shè)計合成了兩種新型材料FICC-EHFICC-BO,并發(fā)現(xiàn)它們在有機(jī)發(fā)光二極管(OLED)中展現(xiàn)出優(yōu)異的量子效率,其中FICC-BOOLED器件的量子效率更是高達(dá)0.1%,這在OPV材料中屬于相當(dāng)亮眼的成績。更重要的是,基于FICC-BOOPV電池在室內(nèi)1000 lux LED光照下實現(xiàn)了25.4%的功率轉(zhuǎn)換效率(PCE),遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)光照(AM1.5G)下的12.0% PCE,充分展現(xiàn)了吡咯環(huán)在提升室內(nèi)OPV電池性能方面的巨大潛力。

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導(dǎo)讀目錄

1.       前言

2.       研究方法-烷基鏈調(diào)控與合成路線全解析

3.       表征方法

l   光電性能測量

l   光學(xué)性質(zhì)測量

l   結(jié)構(gòu)和形態(tài)學(xué)分析

l   化學(xué)結(jié)構(gòu)和組成分析

l   電化學(xué)性質(zhì)測量

4.       結(jié)論-提升有機(jī)光伏電池性能的策略:吡咯環(huán)


研究方法-烷基鏈調(diào)控與合成路線全解析

為了設(shè)計和合成兩種新型材料FICC-EHFICC-BO,研究人員首先在共軛骨架中加入了兩個吡咯環(huán),并對吡咯環(huán)上的烷基鏈進(jìn)行了調(diào)節(jié),以控制其聚集特性。具體的合成路徑如下:

  1. FICC-EHFICC-BO的合成使用了Na2CO3作為催化劑,在THF/H2O5:1)混合溶劑中,以Pd(PPh3)2Cl2作為催化劑,反應(yīng)溫度為60。
         
         

  2. 接著使用三乙基磷酸酯和o-二氯苯在180下進(jìn)行反應(yīng),然后使用KOH、KIDMF100下進(jìn)行反應(yīng)。
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  3. 最后使用POCI3DMF在室溫下進(jìn)行反應(yīng),并使用吡啶和氯仿在室溫下進(jìn)行反應(yīng)。

通過這些步驟,研究人員成功合成了FICC-EHFICC-BO,并通過量子化學(xué)計算和實驗測試來優(yōu)化其結(jié)構(gòu)和光電特性。

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表征方法

  1. 光電性能測量

    • J-V測量:評估太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率,利用EnlitechSS-X50太陽能模擬器進(jìn)行J-V測量,評估OPV電池在標(biāo)準(zhǔn)太陽光照條件(AM1.5G)下的開路電壓(Voc)、短路電流密度(Jsc)、填充因子(FF)和功率轉(zhuǎn)換效率(PCE)。


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    • EQE(外部量子效率)測量:使用EnlitechQE-R3011太陽能電池光譜響應(yīng)測量系統(tǒng)被用來測量外部量子效率(EQE)光譜,評估太陽能電池在不同波長下的光電轉(zhuǎn)換效率。
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      5b:展示了PBQx-TFPBQx-TF基電池的外部量子效率(EQE)曲線。
           
           

    • EQEEL(電致發(fā)光外部量子效率)測量:使用EnlitechELCT-3010(現(xiàn)Enlitech REPS)測量EQEEL曲線,評估材料的電致發(fā)旋光性能。
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      根據(jù)圖2a,FICC-EHFICC-BOEQEEL值約為4.1 x 10^-4,這顯著高于ITIC系列,并接近Y系列的水平。

    • FTPS-EQE測量:利用EnlitechPECT-600(現(xiàn)Enlitech FTPS)進(jìn)行FTPS-EQE測量,分析電池的能量損失(Eloss)和帶隙(Eg),并確定材料的光電轉(zhuǎn)換特性。
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      S12a:展示電致發(fā)光和高靈敏度外部量子效率(s-EQE)測量,以研究兩種有機(jī)光伏(OPV)電池的能量損失(Eloss)。在圖S12a(支持信息)中顯示,OPV電池的帶隙(Eg)可以通過dEQE/dE的導(dǎo)數(shù)來確定。PBQx-TFPBQx-TF基電池的帶隙分別為1.69 eV1.70 eV


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      S12b、cs-EQE曲線的擬合結(jié)果,從而幫助確定PBQx-TFPBQx-TF基電池的能量損失(Eloss)。這些電池的Eloss分別為0.65 eV0.66 eV。


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    • Photo-CELIV(光誘導(dǎo)電荷載流子提?。y量:評估太陽能電池的電荷載流子動力學(xué)。

    • OLED性能測量:使用EnlitechLQ-50X測量OLED的性能,包括發(fā)光光譜和發(fā)光效率,其中FICC-BO被用作OLED的發(fā)光層材料。
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      Figure 2b:這張圖表展示了OLED的結(jié)構(gòu),具體為ITO/PEDOT/FICC-BO/TPBi/LiF/Al。這有助于理解OLED的組成和層次結(jié)構(gòu)。


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      Figure 2c:顯示了OLED的發(fā)射光譜,主要覆蓋700850 nm的范圍,并在759 nm處達(dá)到發(fā)射峰值。表示OLED的發(fā)光特性和顏色純度


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            Figure 2d
      :展示了OLED在寬電壓范圍內(nèi)的量子效率(QE)值,顯示出穩(wěn)定的0.1% QE,這表明OLED的性能穩(wěn)定性。



  1. 光學(xué)性質(zhì)測量

    • TA(瞬態(tài)吸收)測量:研究材料的激發(fā)態(tài)動力學(xué)。

    • 紫外-可見吸收光譜測量:測量材料的吸收光譜。
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      1dFICC-EHFICC-BO在溶液和薄膜狀態(tài)下的紫外-可見吸收光譜。這些光譜顯示了它們的最大吸收峰和吸收起始點(diǎn),

    • 室內(nèi)光譜輻射度校準(zhǔn):校準(zhǔn)室內(nèi)光的譜放射度。
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      5h:用于室內(nèi)OPV電池測試的3000K LED光源的發(fā)射光譜。
           
           

o    LED3000K)的譜放射度測量:使用EnlitechHS-IL分光計校準(zhǔn)室內(nèi)光(LED,3000K)的譜放射度,并利用3000K LED燈提供1000 lux的照明,模擬室內(nèi)照明條件,評估OPV電池在室內(nèi)環(huán)境下的Voc、Jsc、FFPCE。
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  1. 結(jié)構(gòu)和形態(tài)學(xué)分析

    • GIWAXS(掠入射廣角X射線散射)測量:分析材料的晶體結(jié)構(gòu)和薄膜形態(tài)。

    • AFM(原子力顯微鏡)測量:觀察材料的表面形態(tài)。

  2. 化學(xué)結(jié)構(gòu)和組成分析

    • NMR(核磁共振)測量:確定材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)。

    • MALDI-TOF質(zhì)譜測量:分析材料的分子質(zhì)量和化學(xué)組成。

  3. 電化學(xué)性質(zhì)測量

    • 電化學(xué)循環(huán)伏安法測量:研究材料的氧化還原行為和能級。

結(jié)論-提升有機(jī)光伏電池性能的策略:吡咯環(huán)

本研究證實,在非富勒烯受體材料(NFAs)的共軛骨架中引入吡咯環(huán),可以提升其光電性能,為開發(fā)高效有機(jī)光伏(OPV)電池提供助力。

設(shè)計合成的兩種新型非富勒烯受體材料FICC-EHFICC-BO,在有機(jī)發(fā)光二極管(OLED)中展現(xiàn)出良好的量子效率。其中,FICC-BOOLED器件的量子效率達(dá)到0.1%。
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此外,基于FICC-BOOPV電池在標(biāo)準(zhǔn)光照(AM1.5G)下實現(xiàn)了12.0%的功率轉(zhuǎn)換效率(PCE),在室內(nèi)1000 lux LED光照下實現(xiàn)了25.4%PCE,證實了吡咯環(huán)在提升OPV電池性能方面的潛力。


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吡咯環(huán)的引入為降低OPV電池的能量損失和拓展其在光電領(lǐng)域的應(yīng)用提供了可能性,未來有望在室內(nèi)光伏等領(lǐng)域發(fā)揮作用。


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文獻(xiàn)參考自Advanced Energy Materials 29 Mar_Doi:10.1002/aenm.202303605

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