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产品上新丨L8系列新型非富勒烯受体

发表时间:2021-08-20 17:36作者:知研光电材料
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太阳能电池是一种可以直接将太阳能转变成电能的光伏技术,近年来成为发展最迅速、最具活力的研究领域之一。尽管无机太阳能电池具有较高的光电转换效率(PCE)及较长的工作寿命,但其生产工艺复杂,设备昂贵,生产成本高。相比之下,有机太阳能电池(OSCs)生产成本低、质量轻、柔性高、可大面积制备,进一步引起了科学工作者们的极大关注。随着非富勒烯受体(NFAs)分子的快速发展,特别是Y6及其衍生物的不断创新,使得OSCs的光电转换效率(PCE)已经突破了18%。

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 图1.有机太阳能电池的工作原理示意图编辑

然而,相比于传统硅基和钙钛矿太阳能电池,OSCs通常具有较大的电压损失(VOC)和较低的填充因子(FF),从而极大地限制了PCE的进一步提升。NFAs的分子设计是高效OSCs的重要组成部分,如何通过解析分子结构与聚集形态理解其与器件性能之间的关系,开发新型有机光伏材料,进而制备出兼具高效率、低能量损失和高FF的OSCs器件,是目前科研人员一直关注和致力于解决的关键性科学问题。

 图2.L8-R分子结构与相关性质编辑

支链烷基链修饰通常可以作为改进分子性能的有效策略之一。2021年5月10日,《Nature Energy》上线了北京航空航天大学孙艳明教授课题组与上海交通大学刘烽教授课题组的合作成果[1]:Non-fullerene acceptors with branched side chains and improved molecular packing to exceed 18% efficiency in organic solar cells。在该工作中,研究人员利用支化链取代的策略制备出三种新型高性能的Y6衍生物受体分子:L8-R(L8-BO、L8-HD、L8-OD)。得益于Y6的物理性质和分子间堆积的可操控性,在主链β位上引入不同的烷基链(分别为2-丁基辛基、2-己基癸基、2-辛基十二烷基)可以最大限度地增加其性质多样化。相比于Y6,L8-R分子显示出光吸收蓝移,同时带隙减小和LUMO能级有所提高,这些都有可能改善最终器件性能。

 图3.L8-R和Y6单晶堆积以及薄膜X射线散射表征编辑

研究人员进一步研究了L8-R分子的晶体堆积方式,其中主链的相互作用表现出系统性的变化,形貌得到更有效的优化。结果显示,L8-R分子呈现出三种π–π堆积模式,而Y6分子为两种,晶体堆积方式越多越有利于电荷的跃迁,形成更多的电荷传输通道,其中,L8-BO的热焓值和电子迁移率分别为38.5 J/g和6.79×10-4 cm2 V-1 s-1,都高于Y6的值,分别为28.4 J/g和4.49×10-4 cm2 V-1 s-1,这些因素共同提高了器件的性能。当L8-BO与聚合物给体PM6共混时,最终正向单结光伏器件效率高达18.32%,验证效率为17.9%,而基于PM6:Y6的正向光伏器件效率仅为16.61%。同时,前者还具有较低的能量损耗和较高的FF,分别为0.55 eV和81.5%。

 图4.L8-BO-F及相关分子结构与性质编辑

仅仅两个月后,孙艳明教授课题组又报道了另一种新型受体分子:L8-BO-F,该分子与L8-BO的区别在于其端基是单取代氟[2]。研究结果显示,L8-BO-F表现出与BTP-eC9非常相似的化学结构,二者具有相同的分子主链和不同的侧链长度。进一步地,他们将L8-BO-F作为第三组分应用于基于PM6:BTP-eC9的二元器件中,其显示出与共混物的互补吸收,并且LUMO能级相对于BTP-eC9的能级发生了上移,这将有助于提高三元OSCs的整体VOC。此外,BTP-eC9与L8-BO-F具有良好的相容性,能够形成均匀的混合相,从而改善了分子有序性和良好的活性层形貌。

 图5.相关共混物的瞬态吸收光谱编辑

结果表明,基于PM6:BTP-eC9:L8-BO-F的三元器件的相应光伏参数同时增强,短路电流(JSC)为27.35 mA cm-2,VOC为0.853 V,FF为80.0%,最佳PCE高达18.66%。其中,高JSC主要归因于L8-BO-F、BTP-eC9和PM6的互补吸收,而高FF主要归因于三元共混物中有效且平衡的电荷传输和抑制的陷阱辅助复合。加入L8-BO-F后,三元器件具有较高的电致发光产率和较低的非辐射复合电压损耗,从而提供较低的电压损耗和较高的VOC。此外,研究还发现,三元OSCs比二元OSCs具有更好的光稳定性。该工作最终发表于《Advanced Materials》上,题为“A Well-Mixed Phase Formed by Two Compatible Non-Fullerene Acceptors Enables Ternary Organic Solar Cells with Efficiency over 18.6%”。

L8系列的分子无疑说明了研究人员在整个OSCs领域的不断创新和探索,他们也付出了巨大的努力。有机光伏材料是OSCs光电转换的基础,对于材料的优化改进也必将是持续推动OSCs商业化进程的最强有力的支撑。虽然目前来看,OSCs的商业化应用已经近在眼前,但是仍具有一定挑战如延长寿命、提高稳定性等。但有理由相信,经过各方面研究人员的协同努力,拥有众多独特优势的OSCs—定会在以后清洁能源结构中占有重要地位,并得到广泛应用。

参考文献:[1] Nat. Energy 2021, 6, 605-613.[2] Adv. Mater. 2021, 2101733.

文献地址:

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

[2]https://doi.org/10.1002/adma.202101733

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