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孫艷明&劉烽Nature Energy：最高紀(jì)錄！有機(jī)太陽(yáng)能電池效率突破18%！

▲通訊作者：孫艷明教授、劉烽

▲單位：北京航空航天大學(xué)、上海交通大學(xué)

溶液處理體異質(zhì)結(jié)有機(jī)太陽(yáng)能電池(OSCs)由于具有成本低、重量輕、透明和靈活等優(yōu)點(diǎn)，已成為無(wú)機(jī)太陽(yáng)能電池的一種有前途的替代品。非富勒烯受體(NFAs)可以更好地利用長(zhǎng)波長(zhǎng)吸收和優(yōu)化電子結(jié)構(gòu)，從而提高光電流密度和輸出電壓，顯著提高OSCs的功率轉(zhuǎn)換效率(PCE)。

因此，使用Y6型受體的OSCs已獲得超過18%的PCE。然而，與無(wú)機(jī)和鈣鈦礦太陽(yáng)能電池相比，OSCs表現(xiàn)出高能量損失(E_loss)和低填充因子(FF)，這阻礙了器件性能。系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)合適的材料是解決這些問題的關(guān)鍵。

NFAs的快速發(fā)展為OSCs帶來(lái)了新的機(jī)遇，降低電荷產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力可以有效地提高開路電壓(Voc)，適當(dāng)?shù)男蚊埠碗姾奢斶\(yùn)可以使OSCs具有高的開路電壓和超過75%的FFs。這種勢(shì)頭應(yīng)該繼續(xù)下去，并延伸到進(jìn)一步操縱材料的性質(zhì)。器件損耗和FF的復(fù)雜性不僅表現(xiàn)在電子結(jié)構(gòu)上，還表現(xiàn)在形態(tài)上，其中涉及到分子的有序、相分離和混合。因此，他們將材料構(gòu)建的范式轉(zhuǎn)向了分子間相互作用的控制，并試圖從中找到控制分子間偶聯(lián)和載流子輸運(yùn)的途徑，以改善FF，抑制損耗。

非富勒烯受體的分子設(shè)計(jì)對(duì)于高效有機(jī)太陽(yáng)能電池至關(guān)重要。支鏈改性通常被認(rèn)為是一種反直覺的方法，因?yàn)樗赡芤胍粋€(gè)不期望的空間位阻，減少非富勒烯受體的電荷傳遞。本研究利用支鏈烷基鏈取代Y6基二硫代噻吩[3,2-b]-吡咯苯并噻吩二唑核上噻吩單元的β位置，設(shè)計(jì)合成了一個(gè)高效的非富勒烯受體家族。他們顯示了藍(lán)移光吸收，減少帶隙和向上移動(dòng)的最低未占據(jù)分子軌道(LUMO)能級(jí)，這有可能提高器件性能。他們研究了單晶體中分子的精確排列，主鏈相互作用發(fā)生了系統(tǒng)性的變化。并記錄了晶體和薄膜中不同的結(jié)晶行為。研究發(fā)現(xiàn)，這種對(duì)不同烷基鏈長(zhǎng)度的修飾可以完全改變非富勒烯受體的分子堆積行為，從而改善薄膜中的結(jié)構(gòu)秩序和電荷輸運(yùn)。單結(jié)有機(jī)太陽(yáng)能電池的效率達(dá)到了前所未有的18.32%(認(rèn)證值為17.9%)，填充系數(shù)達(dá)到了81.5%。

本研究揭示了支鏈烷基鏈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在調(diào)節(jié)分子填料和共混形態(tài)中的重要性，從而提高有機(jī)光伏性能。

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圖1. 分子結(jié)構(gòu)，光物理性質(zhì)和光伏性質(zhì)

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圖2. NFAs的單晶結(jié)構(gòu)和分子填充特性

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圖3. 共混膜的形貌表征

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圖4. PM6:NFA太陽(yáng)能電池的能量損失分析

鏈接

Li, C., Zhou, J., Song, J. et al. Non-fullerene acceptors with branched side chains and improved molecular packing to exceed 18% efficiency in organic solar cells. Nat Energy (2021).

https://doi.org/10.1038/s41560-021-00820-x

原創(chuàng)文章，作者：科研小搬磚，如若轉(zhuǎn)載，請(qǐng)注明來(lái)源華算科技，注明出處：http://www.xiubac.cn/index.php/2023/11/04/3a59a9787c/

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