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化学所侯剑辉课题组AM:通过调节相变动力学提高有机光伏电池的光子利用效率

导语:有机半导体具有高度可调的光电性能,是制备高效有机光伏(OPV)电池的理想材料。在过去几年中,随着新型材料的出现,特别是非富勒烯受体(NFAs)极大地促进了OPV电池的发展。


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1.前言回顾


有机半导体具有高度可调的光电性能,是制备高效有机光伏(OPV)电池的理想材料。在过去几年中,随着新型材料的出现,特别是非富勒烯受体(NFAs)极大地促进了OPV电池的发展。尽管OPV电池的功率转换效率(PCE)很高,但进一步提高其性能仍然是一个核心问题。材料类型和活性层形态是决定OPV电池光子利用效率的两个关键因素。光伏材料不仅决定活性层的光吸收,还影响光生激子的性质。具有大消光系数和小激子结合能的宽带隙给体和窄带隙NFAs被广泛用于制备体异质结(BHJ)OPV电池。此外,为了有效地将激子转化为自由电荷,有必要提高电荷分离和收集的效率,而这主要由活性层的形态控制。因此,除了开发新材料外,还需要合适的形态学来进一步改善OPV电池的PCE。


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图1.给受体结构、光谱吸收、能级排列等相关性质


2.文献简介


有鉴于此,近日,中科院化学研究所侯剑辉研究员团队通过使用两种聚合物给体PBQx-TCl和PBDB-TF以及一种小分子受体eC9-2Cl,探究了一种具有有效电荷转移和传输的多尺度原纤维网络形态。研究人员系统地研究了该多组分体系的成膜过程和畴尺寸。PBQx-TCl和PBDB-TF表现出完全独立的相变过程。其中,PBDB-TF的整个结晶过程与eC9-2Cl的溶剂蒸发和成核阶段一致。随后,PBQx-TCl和eC9-2Cl同步完成了结晶过程。由于这三种组分的混溶性和结晶度不同,PBDB-TF形成了细纤维分布在由PBQx-TCl和eC9-2Cl形成的纤维网络上,以及与eC9-2Cl的纤维形成混合相。此外,由于PBDB-TF的引入,PBQx-TCl和eC9-2Cl缩短了结晶时间,从而避免了超大原纤维结构的形成。


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图2.共混物成膜过程示意图


最后,研究结果显示,在基于PBQx-TCl:PBDB-TF:eC9-2Cl的三元OPV电池器件中实现了19.51%的高PCE,显著高于二元电池器件。值得注意的是,优化的三元电池具有高的光子利用效率,外部量子效率(EQE)值在较宽的波长范围(500至800 nm)内仍能超过85%。此外,为了进一步提高光子利用效率,研究人员进一步使用优化的三元体系作为子电池,制备了一个具有超过20%的优异PCE的高性能串联OPV电池。总之,这些结果表明,调整多尺度纤维网络形态是改善当前高性能OPV电池PCE的有效方法。


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3.不同器件的光伏性能比较

3.文献总结


综上,这项工作为构建理想的多尺度纤维网络形态提供了参考,可以作为进一步改善当前高性能OPV电池PCE的可行和有效策略。相关研究成果最新发表于国际顶级期刊《Advanced Materials》上,题为“Enhancing Photon Utilization Efficiency for High-Performance Organic Photovoltaic Cells via Regulating Phase Transition Kinetics”。


本文关键词:有机太阳能电池,三元器件,共混物形貌,相演化,原纤维网络形态。


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