國家納米中心等在降低有機太陽能電池能量損失方面獲進展
【化工儀器網(wǎng) 項目成果】近日，中國科學院國家納米科學中心納米系統(tǒng)與多級次制造重點實驗室研究員魏志祥、呂琨、朱凌云，與山東大學教授郝曉濤合作，設(shè)計合成了兼具低能量損失和高能量轉(zhuǎn)換效率的非富勒烯小分子受體材料。結(jié)果表明，通過降低受體在光電轉(zhuǎn)換過程中的重組能，可有效降低非輻射復合和驅(qū)動激子解離引起的能量損失，在開路電壓(VOC)高于0.93 V的情況下，效率可達18.2%，能量損失低至0.48 eV。這是迄今為止文獻報道的效率超過17%的二元有機光伏體系中最小的能量損失。相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然-通訊》(Nature Communications)上。
有機太陽能電池(OSCs)因重量輕、可溶液加工、半透明及柔性等優(yōu)點而受到關(guān)注。隨著材料設(shè)計的發(fā)展和器件工藝的優(yōu)化，基于Y-體系的非富勒烯受體的OSCs的效率在二元器件中達18%以上，在三元器件中達19%以上。然而，與無機和鈣鈦礦太陽能電池相比，OSCs的能量損失(電壓損失)相對較大，成為限制OSCs光伏性能的瓶頸因素。目前，大多數(shù)高性能OSCs的開路電壓被限制在0.8~0.9 V，能量損失普遍大于0.5 eV。為了進一步提高OSCs的效率，需要深入了解能量損失的來源，并通過合理的分子設(shè)計進一步降低能量損失。
OSCs的能量損失主要來自兩個方面：激子解離需要的驅(qū)動力和非輻射復合。非輻射復合與電子-振動耦合有關(guān)(即重組能λ，它描述了電子轉(zhuǎn)移過程中分子幾何形狀的變化，反映了電子與分子內(nèi)振動之間的相互作用)。重組能在OSCs的整個光電轉(zhuǎn)換過程中具有重要作用，小的重組能有助于抑制非輻射符合，并可以減小激子解離所需的驅(qū)動力。近日，課題組以Y型非富勒烯受體為分子骨架，將苯并噻唑(BT)五元環(huán)核替換為喹喔啉(Qx)六元環(huán)核，設(shè)計合成了非富勒烯小分子受體Qx-1和Qx-2。通過理論計算與薄膜形貌、激子和電荷動力學結(jié)果表明，這兩種受體在光電轉(zhuǎn)換過程中的重組能比Y6顯著降低，有利于提高激子壽命和擴散長度，促進電荷傳輸，抑制電荷復合帶來的能量損失。以聚合物PM6為給體，Qx-1和Qx-2為受體的二元有機光伏體系的能量損失分別降低到0.508 eV和0.482 eV，且兩種體系的VOC均達到0.9 V以上，同時能量轉(zhuǎn)換效率達18%以上。該工作揭示了減小重組能對于降低OSCs能量損失的重要性，為進一步提高OSCs的效率提供了新策略。
研究工作得到國家自然科學基金、中科院戰(zhàn)略性先導科技專項、CAS-CSIRO聯(lián)合項目的支持，并獲得西安交通大學、北京師范大學的科研人員的幫助。
a)Y6、Qx-1和Qx-2受體的化學結(jié)構(gòu)；b)光電轉(zhuǎn)換過程中，不同電子態(tài)之間相互躍遷的重組能變化示意圖；c)理論計算的三個受體中不同電子態(tài)之間相互躍遷的重組能；d)效率統(tǒng)計分布圖；e)不同體系能量損失與效率統(tǒng)計圖。
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