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我国学者在有机光伏研究领域取得进展

发布日期: 2021-09-23 信息来源: 北京市自然科学基金委员会办公室 字体:[ ]

在国家自然科学基金项目(批准号:51825301、21734001、21734009)等的资助下,北京航空航天大学孙艳明教授团队与上海交通大学刘烽教授团队合作, 在有机光伏领域取得进展。研究成果以“支化侧链取代策略提高了非富勒烯受体分子堆积,助力有机太阳能电池效率超过18%(Non-fullerene acceptors with branched side chains and improved molecular packing to exceed 18% efficiency in organic solar cells)”为题在《自然·能源》(Nature Energy)发表。论文链接:https://www.nature.com/articles/s41560-021-00820-x。

近年来,随着非富勒烯受体分子的快速发展,有机太阳能电池的光电转换效率不断取得突破。然而,相较于传统硅基和钙钛矿太阳能电池,有机太阳能电池较大的电压损失和较低的填充因子极大地限制了其效率的进一步提升。因此,深入理解材料的化学结构、聚集态结构、形貌和器件性能之间的关系,发展新型有机光伏材料,进而制备出兼具高效率、低电压损失和高填充因子的有机太阳能电池,是目前科研人员一直关注和致力于解决的关键科学问题。

该研究团队从聚集态调控角度对非富勒烯受体分子Y6进行优化设计,将噻吩β位进行支化烷基链取代,设计合成了一系列L8-R受体分子。通常情况下,支化侧链修饰会减弱分子堆积,但由于Y6分子的香蕉型构型,支化侧链修饰可以平衡主链堆积与侧链作用,获得新型优化的分子堆积模式(图1)。L8-R系列分子的堆积系数与π–π堆积距离均获得提升。此外,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。相关结果在单晶结构和器件性能上均得到充分论证。

L8-BO薄膜的电子迁移率为6.79×10–4 cm2 V-1 s-1,高于Y6的电子迁移率值4.49×10–4 cm2 V-1 s-1。L8-BO较好的分子有序性有助构建多尺度共混薄膜形貌,同时实现高载流子生成、低电荷复合和更为平衡的电荷传输。这些特性有助于制备出同时兼具低电压损失、高开路电压和高填充因子的有机太阳能电池。基于PM6:L8-BO的单结光伏器件效率高达18.32%,填充因为为81.5%。而基于PM6:Y6的光伏器件效率仅为16.61%,填充因子为76.0%。此外,支化侧链取代策略进一步拓展到了不同的具有香蕉型结构的非富勒烯受体分子上,相对比于直链侧链取代的分子,对应器件的光伏性能都得到大幅度提升,展示了支化侧链取代策略在优化非富勒烯受体分子方面具有普适性。

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