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
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。
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(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(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基金,北京市自然科學基金和北京理工大學青年教師學術(shù)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(guān)鏈接:https://doi.org/10.1002/adma.202405718 |
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