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浙大陈红征&左立见EES:单结有机太阳能电池19.2%效率—调节D:A界面能级排布及分子间相互作用

发表时间:2022-05-17 11:51作者:知研光电材料
导语:研究人员设计合成了一种新的电子受体 BTP-H2,实现了能级的微调及强而有序的分子堆积。将BTP-H2加入到当前高效的PM6:L8-BO体系中制备的三元有机太阳能电池实现了高效的电荷分离和较低的能量损失,获得了19.2%的纪录效率(认证效率18.8%)。浙大陈红征&左立见EES:单结有机太阳能电池19.2%效率—调节D:A界面能级排布及分子间相互作用
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文献直通车请点击链接。如需文献PDF,可直接联系知研客服获取。Manipulating the D:A interfacial energetics and intermolecular packing for 19.2% efficiency organic photovoltaics

1.前言回顾
有机太阳能电池因其轻、柔、廉、薄,吸光可调、颜色多样等特点而备受关注。目前,得益于材料的开发,及包括形貌调控、界面工程和器件架构设计在内的器件优化方面的共同努力,使有机太阳能电池的光电转换效率快速发展。尽管如此,其效率仍落后于无机太阳电池,开发高性能材料体系是需要解决的关键问题之一。当前,同时实现高效的电荷分离和低电压损失成为进一步提升效率的关键,而给体:受体 (D:A) 界面能量排布在上述过程中起着重要作用。

长期以来,D:A间的能级差一直被认为是电荷转移(或激子解离)的驱动力。通常,D:A间较小的能级差有利于实现高开路电压,而较大的能级差可以更好地促进电荷分离。但这一结论因目前非富勒烯受体的发展而受到挑战,当前的高效D:A体系,如基于Y6系列受体的D:A体系,即使在可忽略的能级差下也发生高效的电荷转移。在基于 Y6 的器件中,较长的激子寿命、较大的分子四极矩、独特的分子堆积和良好的聚集态形貌等,被认为是较小能级差下实现高效电荷分离的可能原因。此外,研究表明在空穴转移过程中,局域激发态可转换成受体畴内的分子间激发态,由此介导的空穴转移可通过热活化过程直接实现电荷拆分,避免了克服界面态束缚的能量损耗,而畴内激发态的形成高度依赖于分子间相互作用。

图1.分子结构与基本性质


2.文献简介
由上可知,调节能量排布和分子间相互作用对于同时实现具高效电荷分离和低电压损失的高性能器件是可行的。近日,浙江大学陈红征教授、左立见研究员南京大学张春峰教授课题组武汉大学闵杰研究员课题组以及苏州纳米所马昌期研究员课题组展开合作,设计合成了一种新的电子受体 BTP-H2,实现了能级的微调及强而有序的分子堆积。研究发现,BTP-H2与聚合物给体PM6的HOMO能级差几乎为零,但仍可表现出高效的电荷分离。通过瞬态吸收光谱和掠入式广角X射线实验发现,由于BTP-H2 的强分子间堆积而诱导形成的较长寿命的受体畴内激发态,介导了高效的空穴转移过程。

图2.器件的光伏性能


同时,PM6:BTP-H2体系的非辐射复合因极小的HOMO差和较高的发光效率而受到抑制。基于 PM6:BTP-H2 的器件实现了高达0.932 V的开路电压和18.5%的高效率,是当前唯一实现开路电压0.9 V以上且效率超过18%的D:A体系。此外,将BTP-H2加入到当前高效的PM6:L8-BO体系中制备的三元有机太阳能电池实现了高效的电荷分离和较低的能量损失,获得了19.2%的纪录效率(认证效率18.8%)。

3.瞬态吸收光谱揭示的激发态动力学


3.文献总结
综上,这一工作为高效有机太阳电池的发展提供了材料设计策略,并将分子结构与器件性能关联,揭示了实现高效电荷分离与低电压损失的器件运作机制。相关研究成果以“Manipulating the D:A interfacial energetics and intermolecular packing for 19.2% efficiency organic photovoltaics”为题新发表于国际顶级期刊 《Energy & Environmental Science》上,浙江大学高分子系博士生何程亮为文章第一作者,陈红征教授及左立见研究员为共同通讯作者
本文关键词:有机光伏器件,不对称受体,三元器件,激子解离,电荷平衡。

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