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化学所朱晓张&易院平&许胜杰Nat. Commun.:抑制有机光伏中的电子-声子耦合实现高效功率转换

导语:有机太阳能电池(OSCs)作为一种非常有前景的光伏技术,在灵活性、大面积制备、半透明性等方面具有巨大的潜力。得益于精细的分子设计和器件工程,OSCs在功率转换效率(PCE)方面取得了显著进展。


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中科院化学所朱晓张团队AM:无需光学调制实现高性能多功能半透明有机光伏

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1.前言回顾


有机太阳能电池(OSCs)作为一种非常有前景的光伏技术,在灵活性、大面积制备、半透明性等方面具有巨大的潜力。得益于精细的分子设计和器件工程,OSCs在功率转换效率(PCE)方面取得了显著进展。通常,有机半导体材料由共轭主链和柔性侧链组成,其中主链形成π–π堆叠用于电荷载流子传输,侧链不仅可以有利于溶液可加工性,还可以显著影响固态中的聚集模式。目前最先进的非富勒烯受体(NFAs)表现出非线性构型,例如具有香蕉几何形状的Y系列受体,呈现各种包装模式,形成多个电荷传输通道并提供优异的电荷传输特性。然而,这些刚性稠合的主链在聚集状态下不可避免地在相邻的主链之间产生空隙,称为自由体积,这产生了分子热运动的概率,从而赋予NFAs较低的荧光量子产率(PLQY)。


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1. 受体分子的化学结构与理论计算


2.文献简介


中国科学院化学研究所朱晓张研究员团队一直致力于开发更高效的NFAs,并于2019年设计和合成了具有醌类增强喹喔啉结构的AQx型受体,在当时获得了创记录认证的PCE 。最近,研究还证明,AQx型受体表现出比Y6更低的重组能,从而获得更好的电荷传输特性、更长的激子扩散长度、降低的非辐射能量损失,最终实现更高的PCE。有鉴于此,近日,化学所朱晓张研究员、易院平研究员、许胜杰副研究员等人对AQx型受体进行了精确的烷基侧链调控,为降低非辐射能量损失提供了一种可行而方便的方法。目前,大多数研究集中在调节分子侧链上,然而研究人员选择性地延长了烷基侧链,设计并合成了具有对称内侧链的AQx-2、AQx-8,以及具有不对称内侧链的AQx-6。


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图2. AQx型NFAs的单晶结构和光电性能


理论和实验结果表明,延长的烷基侧链有助于降低AQx-6和AQx-8中的自由体积比(FVR),这有利于减少电子-声子耦合,从而提高发射效率并降低非辐射能量损失。然而,具有相分离和结晶度的纳米形貌会受到延长的烷基侧链长度影响,从而在激子分离、电荷传输和复合过程中产生差异。值得注意的是,基于AQx-6的OSCs具有低非辐射能量损失,抑制的电子-声子耦合、有效的激子解离以及电荷传输。最终,基于AQx-6的二元OSCs获得了18.6%的高PCE(认证PCE:18.4%),同时开路电压(VOC )为0.892 V、短路电流密度(JSC )为26.8 mA cm-2,填充因子(FF)为77.8%。


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图3. 基于AQx型NFAs的OSCs光伏性能


3.文献总结


综上,该工作通过减少与分子运动相关的电子-声子耦合,以及合理的设计策略构建具有低非辐射能量损失的NFAs,不仅提高了OSCs的器件效率,而且对OSCs的进一步发展具有重要意义。相关研究成果最新发表于国际顶级期刊《Nature Communications》上,题为“Suppressing electron-phonon coupling in organic photovoltaics for high-efficiency power conversion”。


本文关键词:有机太阳能电池,非富勒烯受体,非辐射能量损失,侧链修饰,分子设计。


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