有機(jī)太陽能電池（OSCs）作為一種新型光伏技術(shù)，因其成本低廉、可柔性化、可印刷等優(yōu)勢，近年來備受關(guān)注。為了進(jìn)一步提升 OSCs 的效率，研究人員不斷探索新型的電子受體材料，其中非稠環(huán)電子受體 (NFREAs) 因其合成成本低于稠環(huán)受體而備受青睞。然而，NFREAs 的分子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，如低骨架平面性和龐大的取代基，會導(dǎo)致其結(jié)晶度較差，進(jìn)而阻礙電荷傳輸和形成有利于電荷分離的雙連續(xù)結(jié)構(gòu)，影響器件的效率。
【非稠環(huán)電子受體材料：低成本的潛力之星】
傳統(tǒng)的有機(jī)太陽能電池主要采用稠環(huán)電子受體材料，例如ITIC、Y6 等。這些材料具有良好的平面性和強(qiáng)烈的分子間相互作用，有利于形成有序的晶體結(jié)構(gòu)，提高電荷傳輸效率。然而，稠環(huán)受體的合成步驟復(fù)雜，成本較高，限制了其大規(guī)模應(yīng)用。
非稠環(huán)電子受體 (NFREAs) 相比稠環(huán)受體，具有合成步驟簡單、成本低廉的優(yōu)勢。但由于其分子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，如低骨架平面性和龐大的取代基，導(dǎo)致其結(jié)晶度較差，進(jìn)而影響電荷傳輸和器件效率。
其對電池性能的提升具有重要意義。以下是一些關(guān)鍵性因素：
l 分子結(jié)構(gòu)的多樣性：非稠環(huán)電子受體材料通常具有靈活的分子設(shè)計(jì)空間，能夠通過引入不同的官能團(tuán)或改變分子骨架結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)其光電性能。這種設(shè)計(jì)自由度有助于優(yōu)化材料的能級匹配、吸收光譜和電子傳輸性能，從而提高太陽能電池的整體效率。
l 低能隙和高吸光系數(shù)：許多非稠環(huán)電子受體材料具有較低的能隙和較高的吸光系數(shù)，能夠有效吸收太陽光的可見光部分。這種特性使得它們在更寬的光譜范圍內(nèi)捕捉光子，提升光電轉(zhuǎn)換效率。
l 改善的電子遷移率：非稠環(huán)電子受體材料在分子設(shè)計(jì)上可以優(yōu)化電子遷移率，減少電子-空穴對在傳輸過程中的復(fù)合損失。高電子遷移率有助于提升電池的短路電流和填充因子，從而增強(qiáng)電池的整體性能。
l 穩(wěn)定性和可加工性：這些材料通常表現(xiàn)出較好的環(huán)境穩(wěn)定性和溶液加工特性，使得它們在大面積制備和實(shí)際應(yīng)用中具有優(yōu)勢。穩(wěn)定的材料性能可以延長太陽能電池的使用壽命，而良好的可加工性則有助于降低生產(chǎn)成本。
l 界面工程的優(yōu)化：在有機(jī)太陽能電池的制備過程中，非稠環(huán)電子受體材料能夠與其他層（如給體材料、界面層）形成良好的界面，減少界面缺陷和能級錯配問題。優(yōu)化的界面工程可以進(jìn)一步提升電荷分離效率和電池的整體性能。
【溶解度控制策略：精準(zhǔn)調(diào)控材料結(jié)晶和相分離】
為了克服 NFREAs 結(jié)晶度差的難題，上海交通大學(xué)劉峰研究員團(tuán)隊(duì) 與 北京師范大學(xué)薄志山教授團(tuán)隊(duì) 和 北京航空航天大學(xué)朱磊研究員團(tuán)隊(duì) 合作，提出了一種基于溶解度控制策略，精準(zhǔn)調(diào)控電子給體和受體材料的結(jié)晶和相分離過程，從而提高器件效率。
該團(tuán)隊(duì)選擇了一對溶劑：氯仿和鄰二甲苯，它們具有不同的沸點(diǎn)和蒸發(fā)速率，以及對不同材料的溶解性差異。通過控制兩種溶劑的揮發(fā)速率，他們成功實(shí)現(xiàn)了對電子給體聚合物 (例如 D18) 和非稠環(huán)電子受體 (例如 2BTh-2F-C2) 的結(jié)晶和相分離的獨(dú)立調(diào)控。
【雙連續(xù)結(jié)構(gòu)：高效電荷分離的關(guān)鍵】
該團(tuán)隊(duì)通過實(shí)驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)，氯仿的揮發(fā)會導(dǎo)致 D18 開始組裝成纖維狀結(jié)構(gòu)，而鄰二甲苯的揮發(fā)則會誘導(dǎo) 2BTh-2F-C2 快速形成純相域，最終形成一種雙連續(xù)結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)使得電子給體和受體材料在活性層中形成互穿網(wǎng)絡(luò)，有效地?cái)U(kuò)大了電荷分離和傳輸?shù)慕缑妫岣吡穗姾蓚鬏斝屎推骷墓β兽D(zhuǎn)換效率。
基于這種溶解度控制策略，該團(tuán)隊(duì)成功制備了高效的有機(jī)太陽能電池。小面積器件的效率達(dá)到 19.02%，1 cm2 器件的效率也達(dá)到了 17.28%，這是目前非稠環(huán)電子受體材料體系中較高的效率。
【展望】
該研究團(tuán)隊(duì)利用溶解度控制策略，巧妙地調(diào)控了電子給體和受體材料的結(jié)晶和相分離，最終獲得了高效的雙連續(xù)結(jié)構(gòu)，突破了非稠環(huán)電子受體材料在有機(jī)太陽能電池中的應(yīng)用瓶頸。這項(xiàng)研究為開發(fā)低成本、高效的有機(jī)太陽能電池提供了新的思路和方向，為未來更廣泛的應(yīng)用開辟了新的路徑。
研究團(tuán)隊(duì): 該研究由 上海交通大學(xué)劉峰團(tuán)隊(duì) 與 北京師范大學(xué)薄志山團(tuán)隊(duì) 和 北京航空航天大學(xué)朱磊團(tuán)隊(duì) 合作完成。
l 上海交通大學(xué)劉峰副研究員-主要研究領(lǐng)域?yàn)閺?qiáng)激光驅(qū)動的高次諧波輻射、激光尾波場電子加速。
l 北京師范大學(xué)薄志山教授-主要研究領(lǐng)域有共軛聚合物合成，光電功能分子，聚合物太陽電池及共軛分子自組裝。
l 上海交通大學(xué)朱磊-主要研究領(lǐng)域有機(jī)太陽能電池。
未來，研究人員將繼續(xù)探索更有效的材料和工藝，以進(jìn)一步提高有機(jī)太陽能電池的效率和穩(wěn)定性，為實(shí)現(xiàn)有機(jī)光伏技術(shù)的廣泛應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)
參考文獻(xiàn)
Achieving 19% efficiency in non-fused ring electron acceptor solar cells via solubility control of donor and acceptor crystallization Nature Energy 2024
【本研究參數(shù)圖】
Fig 2. 設(shè)備性能:圖a: 電流密度-電壓曲線，展示了不同設(shè)備在不同電壓下的電流密度。圖b: 外量子效率(EQE)隨波長變化的曲線，比較了不同設(shè)備的光電響應(yīng)。圖c: 功率轉(zhuǎn)換效率(PCE)的直方圖，顯示了不同設(shè)備的PCE分布。圖d: PCE與活性層厚度的關(guān)系圖，展示了不同設(shè)備在不同厚度下的PCE變化。圖e: 雷達(dá)圖，比較了不同設(shè)備在PCE、Jsc、Voc和FF四個(gè)參數(shù)上的性能。圖f: 熱圖，展示了不同設(shè)備在不同參數(shù)組合下的PCE值。
Fig 3. 圖a: 顯示了不同材料（GQDs、CQDs、CQDs/ET）的延遲時(shí)間與光強(qiáng)度的關(guān)系。圖b: 柱狀圖比較了不同材料在不同溫度下的光電流（Iph）。圖c: 顯示了不同材料在不同柵壓（Vg）下的電流-電壓（I-V）特性曲線。圖d: 顯示了不同材料在不同電荷密度下的遷移率（Mobility）。圖e: 顯示了不同材料在不同電荷密度下的電導(dǎo)率（Conductivity）。圖f: 顯示了不同材料在不同電荷密度下的電流-電壓（I-V）特性曲線。
使用設(shè)備：
QE-R_ 光伏/ 太陽能池量子效率光學(xué)儀
以下幾點(diǎn)優(yōu)勢，可應(yīng)對材料測試面臨的挑戰(zhàn)：
l 以緊湊的設(shè)計(jì)，尺寸大小 502.4mm(L) x 322.5mm(W) x 352mm(H)，搭配4吋外徑PTFE材質(zhì)的積分球，并且整合NIST追溯的校準(zhǔn)，讓手套箱整合PL與PLQY成為可能。
l 利用先進(jìn)的儀表控制程序，可以進(jìn)行原位時(shí)間PL光譜解析，并且可產(chǎn)生2D與3D圖表，說明使用者可以更快地表征材料在原位時(shí)間的變化。
l 系統(tǒng)光學(xué)設(shè)計(jì)可容易的做紅外擴(kuò)展，波長由700-1100nm， 可展延至1700nm。粉末、溶液、薄膜樣品都可相容測試。
文獻(xiàn)參考自 NATURE ENERGY DIO:10.1038/s41560-024-01564-0
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