環(huán)境污染和能源危機(jī)是當(dāng)今世界面臨的兩大難題，開(kāi)發(fā)與利用高效率清潔能源是國(guó)家能源戰(zhàn)略中亟需解決的重大科學(xué)問(wèn)題。有機(jī)太陽(yáng)能電池以其高靈活性、半透明、多彩、重量輕以及低成本商業(yè)化制造等優(yōu)勢(shì)成為最有前景的光電轉(zhuǎn)換技術(shù)之一。有機(jī)太陽(yáng)能電池的性能主要取決于活性層光吸收、激子離解、電荷傳輸和收集能力等。因此，十分有必要從多角度出發(fā)，研發(fā)各種策略來(lái)提高器件性能。基于此類(lèi)科學(xué)問(wèn)題，王金亮教授與安橋石特別研究員團(tuán)隊(duì)聯(lián)合國(guó)內(nèi)外課題組，通過(guò)將合成有機(jī)新材料與器件制備相結(jié)合，開(kāi)發(fā)了多種高效率的有機(jī)給/受體材料和高性能器件。在“BIT”系列小分子給體材料（ Adv. Funct. Mater. 2015,  25 , 3514（ESI高被引論文）;  J. Am. Chem. Soc. 2016,  138 , 7687（ESI高被引論文）;  Adv. Funct. Mater. 2016,  26 , 1803（ESI高被引論文）;  Joule , 2019,  3 , 846（ESI高被引論文）等）、含硒吩類(lèi)與鹵素調(diào)控給/受體材料（ ACS Energy Lett. , 2018,  3 , 2967;  ChemSusChem 2021,  14 , 4454;  Angew. Chem. Int. Ed. 2021,  60 , 19241 （ESI高被引論文）;  Adv. Funct. Mater. 2022,  32 , 2108289;  Energy Environ. Sci. , 2022,  15 , 320等）、高效全小分子器件（ Energy Environ. Sci. 2021,  14 , 3945（ESI高被引論文）;  ACS Energy Lett. 2021,  6 , 2898等）以及機(jī)器學(xué)習(xí)輔助有機(jī)太陽(yáng)能電池研究（ Energy Environ. Sci. 2021,  14 , 90（ESI高被引論文））等方面取得了一系列研究進(jìn)展。

 

三元策略是一種有效提高有機(jī)太陽(yáng)能電池效率的方法，其已成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。此外，三元策略在緩解器件效率對(duì)活性層厚度敏感方面展現(xiàn)出巨大潛力。活性層厚度的增加會(huì)導(dǎo)致載流子遷移率降低與失衡，空間電荷堆積以及復(fù)合增加。隨著活性層厚度的增加，器件效率急劇下降，這是有機(jī)太陽(yáng)能電池大規(guī)模應(yīng)用亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。在二元體系中引入適當(dāng)?shù)牡谌M分能夠有效增強(qiáng)有源層的光子俘獲，優(yōu)化能級(jí)和能量/電荷轉(zhuǎn)移的路徑，進(jìn)而提升電荷的生成及收集效率。因此，如何甄選第三組分是構(gòu)筑高效率且膜厚不敏感有機(jī)太陽(yáng)能電池的核心問(wèn)題。

圖1. 相關(guān)分子結(jié)構(gòu)與基本性質(zhì)

 

考慮到同源衍生物具有相似的分子結(jié)構(gòu)和良好的兼容性，通過(guò)使用同構(gòu)型小分子Y6-1O和Y7-BO作為受體，明星聚合物PM6作為給體來(lái)制備高性能三元器件。Y6-1O與Y7-BO具有類(lèi)似的“BTP”稠環(huán)分子骨架，使得兩個(gè)受體之間具有極好的兼容性，從而有利于精細(xì)調(diào)控三元共混物的形貌以獲得優(yōu)化的短路電流密度和填充因子。另一方面，不同的鹵素取代端基和兩個(gè)受體中不同的不對(duì)稱(chēng)或?qū)ΨQ(chēng)核心單元能夠提供互補(bǔ)的吸收和可調(diào)節(jié)的能級(jí)，這有助于在短路電流密度與開(kāi)路電壓之間獲得良好的平衡。

圖2. 器件的光伏性能

 

研究結(jié)果顯示，當(dāng)Y6-1O在受體中的含量為10 wt%時(shí)，三元器件最優(yōu)效率達(dá)到18.11%，填充因子為79.27%。當(dāng)器件的活性層厚度增加到300 nm或400 nm時(shí)，三元器件仍能保持16.61%或15.71%效率，均為目前已報(bào)道同厚度器件效率的最高值。三元器件效率的提升主要?dú)w因于更高效的電荷生成和提取過(guò)程，其得益于光子捕獲的增加、能級(jí)及形貌的優(yōu)化。該工作結(jié)果表明，將同源非富勒烯受體Y6-1O和Y7-BO相結(jié)合是同時(shí)實(shí)現(xiàn)高效薄膜和厚膜三元有機(jī)太陽(yáng)能電池的一種有效策略。

圖3. 活性層形貌研究

 

上述研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、國(guó)家海外高層次人才青年項(xiàng)目、北京理工大學(xué)特立青年學(xué)者計(jì)劃等項(xiàng)目以及北京市光電轉(zhuǎn)換材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的支持。北京理工大學(xué)分析測(cè)試中心為材料及器件表征提供了支持。

 

文章全文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adfm.202200807

 

附作者簡(jiǎn)介：

 

王金亮，化學(xué)與化工學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師。2008年北京大學(xué)博士畢業(yè)，2013年入選國(guó)家海外高層次人才支持計(jì)劃。主要從事有機(jī)與高分子光電能量轉(zhuǎn)換材料化學(xué)研究，在單分散多氟代光伏給體材料和高效率含硒吩受體材料的高效合成以及器件性能調(diào)控方面開(kāi)展了有特色的研究工作。主持承擔(dān)了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、國(guó)家海外高層次人才青年項(xiàng)目、北京市自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、北京理工大學(xué)特立青年學(xué)者計(jì)劃等課題。至今在J. Am. Chem. Soc.等國(guó)際高水平學(xué)術(shù)期刊上已發(fā)表SCI論文 80余篇，總被引用6000余次。2016年入選北理工優(yōu)秀碩士學(xué)位論文指導(dǎo)教師，2021年入選北京市優(yōu)秀本科畢業(yè)論文指導(dǎo)教師。目前擔(dān)任《北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)英文版》第八屆編委會(huì)委員。

 

安橋石，北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院特別研究員、博士生導(dǎo)師。2017年博士畢業(yè)于北京交通大學(xué)，導(dǎo)師為張?？〗淌凇?018年-2020年，繼續(xù)在北京交通大學(xué)從事博士后研究，2020年4月加入北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，主要從事有機(jī)光電子材料與器件方面的工作。迄今以第一/通訊作者身份在Energy Environ. Sci.; Angew. Chem., Int. Ed., ACS Energy Lett. Adv. Funct. Mater.; Nano Energy等國(guó)際高水平期刊上發(fā)表SCI 論文 30 余篇，其中ESI高被引論文9篇，論文累計(jì)他引5000余次，主持國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目1項(xiàng)。