【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】有機(jī)太陽能電池( OSCs)作為一種新興的可再生清潔能源，具有質(zhì)輕、柔性、可大面積印刷等優(yōu)勢，近年來得到廣泛關(guān)注。得益于新材料的出現(xiàn)，目前有機(jī)太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)突破19%。然而，要想突破20%的效率瓶頸，同時實現(xiàn)有序的分子排列、合適的結(jié)晶區(qū)尺寸以及減少非輻射損失是面臨的巨大挑戰(zhàn)。
近期，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所有機(jī)光電材料與器件團(tuán)隊在葛子義研究員帶領(lǐng)下在前期高效率和柔性有機(jī)太陽能電池研究的基礎(chǔ)上(Nature Photonics, 2015, 9, 520; Joule, 2021, 5, 2395; Advanced Materials, 2019, 31, 201902210; Advanced Materials, 2022, 34, 2202752; Energy Environ. Sci., 2023, 16, 3119; Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59, 2808.), 最近在高效率有機(jī)太陽能領(lǐng)域又取得了新進(jìn)展。該團(tuán)隊設(shè)計并成功合成了高度有序的喹喔啉基小分子受體SMA，引入PM6:BTP-eC9體系中，選用自組裝單分子層2PACZ作為空穴傳輸層，獲得了剛性20.22%和柔性18.42%的光電轉(zhuǎn)換效率，分別是目前國際上公開報道的剛性和柔性有機(jī)太陽能電池的最高效率。
在該工作中，科研人員設(shè)計合成了高度有序排列的新型喹喔啉基小分子受體SMA，同時該分子具有較高的最低未占據(jù)(LUMO)分子軌道能級，將其作為客體加入到PM6: BTP-eC9體系中，會對給、受體的液態(tài)-固態(tài)轉(zhuǎn)變產(chǎn)生影響，在保證合適相區(qū)尺度的同時能夠加快受體材料的結(jié)晶和有序排列。有序性的增強(qiáng)和較高的LUMO能級受體SMA的加入減小了烏爾巴赫能和非輻射復(fù)合損失。同時，SMA的加入優(yōu)化了垂直形貌，減小了雙分子復(fù)合。最終，得益于提升的開路電壓、短路電流以及填充因子，基于PM6:BTP-eC9:SMA的三元器件獲得了剛性20.22%的光電轉(zhuǎn)換效率，這是目前公開報道的單結(jié)有機(jī)太陽能電池的最高效率。同時，基于該體系的柔性器件獲得了18.42%的光電轉(zhuǎn)換效率，彎曲2000次后能夠保持初始效率的96%，具有較好的機(jī)械穩(wěn)定性。
該工作以“20.2% Efficiency Organic Photovoltaics Employing a π-Extension Quinoxaline-Based Acceptor with Ordered Arrangement”為題發(fā)表在國際頂級期刊Advanced Materials上(DOI: 10.1002/adma.202406690.)，陳振宇博士和葛金峰博士為本文共同第一作者，葛子義研究員、葛金峰博士和宋偉博士為本文的通訊作者。
該研究得到了國家杰出青年科學(xué)基金(21925506)、國家自然科學(xué)基金(U21A20331)、國家自然科學(xué)基金聯(lián)合基金(21925506)、浙江省自然科學(xué)基金(LQ22E030013)、中國博士后科學(xué)基金(GZC20232794、2023M743617)等的支持。
圖 (a)活性層分子式；(b)給、受體分子的能級；(c)給、受體吸收范圍；(d-e)BTP-eC9和SMA的2D-GIWAXS圖；(f)光伏器件的J-V曲線；(g)光伏器件的EQE曲線
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