北理工團隊在高效率鑄態(tài)有機太陽能電池的研究中取得重要進展
發(fā)布日期：2024-09-19 供稿：化學(xué)與化工學(xué)院 攝影：化學(xué)與化工學(xué)院
編輯：田柳 審核：王振華 閱讀次數(shù)：
近期，北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院博士生張豹在國際頂級期刊《 Advanced Materials 》（IF: 27.4）上發(fā)表題目為“Manipulating Alkyl Inner Side Chain of Acceptor for Efficient As-Cast Organic Solar Cells”的研究論文,。北京理工大學(xué)為第一通訊單位,，安橋石特別研究員,、王金亮教授、王珊珊老師和山東大學(xué)尹航教授為共同通訊作者,。
圖1. (a) A1-A5的化學(xué)結(jié)構(gòu),。(b) D18和A1-A5的歸一化薄膜吸收光譜。(c) A1-A5在室溫下在氯仿中的溶解度,。(d) D18和A1-A5的能級,。(e) A1-A5純薄膜在IP和OOP方向上的線切割輪廓。(f) D18和受體的分子間作用力。(g) D18與不同分子之間的堆積模型,。
溶液處理有機太陽能電池（OSCs）是一種有潛力的綠色光電轉(zhuǎn)化技術(shù),，其在光伏建筑一體化，柔性可穿戴設(shè)備領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力,。器件效率,、穩(wěn)定性和成本是有機光伏商業(yè)應(yīng)用的三個最關(guān)鍵的因素，而在成本方面的研究相對落后于前兩者,。從材料角度來看,，簡化分子結(jié)構(gòu)，合成步驟與提純過程是降低器件成本的有效策略,。在器件制備方面,，鑄態(tài)OSCs即活性層不進行任何工藝優(yōu)化，其無疑是降低成本最有效的方案,。然而,，從分子設(shè)計的角度構(gòu)筑高效率鑄態(tài)器件還鮮有報道。在這項工作中,，該團隊通過逐個增加吡咯單元上亞甲基碳的個數(shù),，設(shè)計和合成了五個A-DAD-A型小分子（A1-A5）受體材料，以此為基礎(chǔ)研究具有不同鏈長度的小分子受體與鑄態(tài)器件之間的構(gòu)效關(guān)系,。
圖2 A1-3的原位紫外-可見吸收光譜,、一維吸收光譜曲線和最大吸收峰位隨時間變化曲線
隨著烷基鏈的延長，薄膜的吸收光譜從A1到A5逐漸發(fā)生藍移,，同時最低未占據(jù)分子軌道（LUMO能級）也略微上移,。隨著LUMO能級的略微上移，有利于實現(xiàn)器件的短路電流密度和開路電壓之間的平衡,。此外,，較長的烷基鏈還能提高受體和給體之間的相容性。通過原位紫外-可見吸收光譜（圖2）結(jié)果分析表明,，良好的相容性將會延長分子自組裝時間,，并有助于給體相的優(yōu)先形成，進而受體沉淀在由給體形成的框架中,。相應(yīng)的成膜過程有助于形成具有合適纖維結(jié)構(gòu),、分子堆疊和垂直相分離的薄膜形貌，從而提高填充因子,。因此,，基于D18:A3的鑄態(tài)器件實現(xiàn)了18.29%的最高效率。在該工作中,，該團隊從分子設(shè)計角度,，提出了一種構(gòu)筑高效率鑄態(tài)器件的有效策略，并明晰了材料結(jié)構(gòu)-成膜過程-器件性能之間的關(guān)系，有助于推動有機光伏領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展,。
本研究得到了國家自然科學(xué)基金,，北京市自然科學(xué)基金和北京理工大學(xué)青年教師學(xué)術(shù)啟動計劃等項目的資助及北京理工大學(xué)分析測試中心的支持。
文章鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202405718
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