北京理工大學在高效率鑄態(tài)有機太陽能電池的研究中取得重要進展

近期，北京理工大學化學與化工學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尹航教授為共同通訊作者。

圖1. (a) A1-A5的化學結構。(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化技術，其在光伏建筑一體化，柔性可穿戴設備領域展現(xiàn)出巨大的應用潛力。器件效率、穩(wěn)定性和成本是有機光伏商業(yè)應用的三個最關鍵的因素，而在成本方面的研究相對落后于前兩者。從材料角度來看，簡化分子結構，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，從分子設計的角度構筑高效率鑄態(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)器件之間的構效關系。

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。相應的成膜過程有助于形成具有合適纖維結構、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，該團隊從分子設計角度，提出了一種構筑高效率鑄態(tài)器件的有效策略，并明晰了材料結構-成膜過程-器件性能之間的關系，有助于推動有機光伏領域的產業(yè)化發(fā)展。

本研究得到了國家自然科學基金，北京市自然科學基金和北京理工大學青年教師學術啟動計劃等項目的資助及北京理工大學分析測試中心的支持。

相關鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202405718