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宁波材料所突破刚性和柔性有机太阳能电池的最高效率
作者:,日期:2024-07-02

有机太阳能电池( OSCs)作为一种新兴的可再生清洁能源,具有质轻、柔性、可大面积印刷等优势,近年来得到广泛关注。得益于新材料的出现,目前有机太阳能电池的光电转换效率已经突破19%。然而,要想突破20%的效率瓶颈,同时实现有序的分子排列、合适的结晶区尺寸以及减少非辐射损失是面临的巨大挑战。

近期,中国科学院宁波材料技术与工程研究所有机光电材料与器件团队在葛子义研究员带领下在前期高效率和柔性有机太阳能电池研究的基础上(Nature Photonics, 2015, 9, 520; Joule, 2021, 5, 2395; Advanced Materials, 2019, 31, 201902210; Advanced Materials, 2022, 34, 2202752; Energy Environ. Sci., 2023, 16, 3119; Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59, 2808.), 最近在高效率有机太阳能领域又取得了新进展。该团队设计并成功合成了高度有序的喹喔啉基小分子受体SMA,引入PM6:BTP-eC9体系中,选用自组装单分子层2PACZ作为空穴传输层,获得了刚性20.22%和柔性18.42%的光电转换效率,分别是目前国际上公开报道的刚性和柔性有机太阳能电池的最高效率。

在该工作中,科研人员设计合成了高度有序排列的新型喹喔啉基小分子受体SMA,同时该分子具有较高的最低未占据(LUMO)分子轨道能级,将其作为客体加入到PM6: BTP-eC9体系中,会对给、受体的液态-固态转变产生影响,在保证合适相区尺度的同时能够加快受体材料的结晶和有序排列。有序性的增强和较高的LUMO能级受体SMA的加入减小了乌尔巴赫能和非辐射复合损失。同时,SMA的加入优化了垂直形貌,减小了双分子复合。最终,得益于提升的开路电压、短路电流以及填充因子,基于PM6:BTP-eC9:SMA的三元器件获得了刚性20.22%的光电转换效率,这是目前公开报道的单结有机太阳能电池的最高效率。同时,基于该体系的柔性器件获得了18.42%的光电转换效率,弯曲2000次后能够保持初始效率的96%,具有较好的机械稳定性。

该工作以“20.2% Efficiency Organic Photovoltaics Employing a π-Extension Quinoxaline-Based Acceptor with Ordered Arrangement”为题发表在国际顶级期刊Advanced Materials上(DOI: 10.1002/adma.202406690.),陈振宇博士和葛金峰博士为本文共同第一作者,葛子义研究员、葛金峰博士和宋伟博士为本文的通讯作者。

该研究得到了国家杰出青年科学基金(21925506)、国家自然科学基金(U21A20331)、国家自然科学基金联合基金(21925506)、浙江省自然科学基金(LQ22E030013)、中国博士后科学基金(GZC20232794、2023M743617)等的支持。

图 (a)活性层分子式;(b)给、受体分子的能级;(c)给、受体吸收范围;(d-e)BTP-eC9和SMA的2D-GIWAXS图;(f)光伏器件的J-V曲线;(g)光伏器件的EQE曲线

(光电信息材料与器件实验室?陈振宇)

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