科学材料站
文 章 简 介
人们普遍认为，有机太阳能电池活性层的形态对其光伏性能起着决定性作用。目前，高性能有机太阳能电池主要由共轭聚合物给体和非富勒烯小分子受体组成。研究表明，由于给体和受体之间的分子结构相似性，有机太阳能电池的活性层在其形成过程中主要经历固-液（S-L）相分离。更具体地说，在活性层形成过程中，共轭聚合物给体材料因其显著的聚集行为和结晶性而首先析出，从而形成纳米纤维网络结构。随后，小分子受体在这种纤维网络内结晶，形成纳米级受体结晶相。这种薄膜形态的发展过程促进了给体和受体之间互连双纳米纤维网络结构的建立，这有利于电子和空穴的有效传输，从而提高了器件性能。因此，在高性能有机太阳能电池的制造过程中，通过给体和受体材料的自组装精确调控结晶过程至关重要。将超分子化学原理融入活性层的成膜过程，并通过超分子相互作用同时调节给体和受体材料的结晶动力学，是优化活性层形态和提高器件效率的关键策略。然而，这种方法也面临技术挑战。
青岛大学刘亚辉、南京林业大学赵文超和北京师范大学薄志山、徐新军团队联合开发了三种氯化噻唑添加剂（即TZ-Cl、TZ-2Cl和TZ-3Cl），其氯原子数量逐渐增加。研究结果表明，这些添加剂能够与给体材料（PM6）和受体材料（L8-BO）形成超分子相互作用，对PM6和L8-BO的自组装过程产生显著影响。随着氯原子数量的增加，超分子相互作用逐渐增强，导致材料结晶速率减慢。因此，给体和受体材料均表现出显著增强的结晶性能，从而能够形成纳米纤维状组装结构。此外，由于共混膜在固-液相分离过程中的独特特性，它保留了纯材料的组装行为，进一步诱导形成了给体和受体互连的双纤维网络形态。这种转变显著增强了器件的传输能力和功率转换效率。具体而言，在PM6:L8-BO二元体系中，我们实现了19.8%的显著PCE和80.19%的高填充因子（FF），同时显著提高了器件的稳定性。此外，这一策略在多个有机太阳能电池系统中也表现出显著的性能提升。值得注意的是，在基于PM6:BTP-eC9-4F:DM-F的三元有机太阳能电池系统中，我们实现了20.2%的PCE和79.83%的FF。这些二元和三元有机太阳能电池的性能值是目前的最高水平之一。
Figure 1. The chemical structures of PM6, L8-BO, TZ-Cl, TZ-2Cl and TZ-3Cl (a); the energy level of PM6 and L8-BO (b); the J-V curves (c) and EQE curves of different systems (d); summary of reported PCE of the corresponding binary OSCs (e); the Jph versus Veff curves (f); the Jsc and Voc versus light intensity curves (g); the UV-vis spectra of PM6 pure films (h); L8-BO pure films (i).
Figure 2. The AFM height images (a, c) and phase images (b, d) of PM6/L8-BO pure films and PM6:L8-BO blend films; AFM-IR images of blend film without additives and treated with TZ-3Cl mapped at the characteristic wavenumbers of 1648 cm−1 (e1, f1) and 1440 cm−1 (e2, f2); overlay of L8-BO and PM6 AFM-IR images (e3, f3).
Figure 3 Time-dependent contour plots of UV-vis absorption spectra of PM6:L8-BO (with and without additives) blend films (a); the time evolution of L8-BO peak position and intensity in blend films; 2D GIWAXS patterns (c) and 1D GIWAXS profiles (d) of PM6:L8-BO blend films (with and without additives).
综上所述，本研究提出了一种简单而有效的策略，即利用超分子添加剂精确调控活性层形态，成功制备出高性能的二元和三元有机光伏器件。这一研究里程碑为开发高效率有机太阳能电池提供了新途径。论文的第一作者为北京师范大学魏楠、青岛大学路皓、临沂大学韦瑶瑶，通讯作者为青岛大学刘亚辉、南京林业大学赵文超、北京师范大学薄志山/徐新军。
科学材料站
文 章 链 接
https://doi.org/10.1039/D4EE05375C
科学材料站
作 者 简 介
刘亚辉教授
青岛大学本文通讯作者，青岛大学教授，山东省优青，山东省青年泰山学者。2013 年本科毕业于北京师范大学获得学士学位。2018 年博士毕业于北京师范大学获得博士学位，师从北京师范大学薄志山教授。2020 年加入青岛大学纺织服装学院，功能染料与应用技术研究院核心成员，硕士生导师，主持国家青年基金、面上项目等。研究方向：有机光电材料与器件，如有机太阳能电池关键材料、钙钛矿太阳能电池空穴传输材料等，开发了多种非富勒烯受体材料，共轭聚合物给体材料等。至今以第一/通讯作者发表 SCI 论文 70 余篇，包括Acc. Chem. Res., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Energy Environ. Sci., Nat. Sci. Rev., Sci. China Chem., Aggregate, Adv. Energy Mater., ACS Energy Lett., Chem. Mater., Macromolecules等高水平论文。
赵文超教授
南京林业大学教授，入选南京林业大学水杉学者，江苏省双创博士、重大人才工程。2019年博士毕业于中国科学院化学研究所，师从侯剑辉研究员。主持和参与国自然重点项目、国际(地区)合作与交流项目、国自然基金等项目。从事有机太阳能电池研究，在Adv. Mater., J. Am. Chem. Soc., Energy Environ. Sci., Sci. China Chem., Adv. Energy Mater.等发表多篇重要论文。
徐新军教授
中国科学院化学研究所理学博士学位，并在美国田纳西大学进行过博士后研究。他的主要研究方向是有机太阳能电池，特别是在新型电子受体的设计与合成方面有着深厚的造诣。徐新军老师已在Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater.等国际顶级期刊上发表多篇重要论文。
薄志山教授
本文通讯作者，吉林大学学士、硕士、博士，德国柏林自由大学和美国北卡州立大学博士后，2002 年任中国科学院化学研究所研究员，2002 年获得基金委“杰出青年科学”基金支持，教育部长江学者特聘教授（2015-2020），教育部长江学者创新团队带头人，能量转换与存储材料北京市重点实验室主任。主要从事共轭聚合物光电功能材料的合成与性能研究，在国际重要学术期刊发表学术论文 300 余篇，包括Nat. Energy, Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Sci. China Chem., Adv. Energy Mater., ACS Energy Lett., Chem. Mater., Macromolecules等高水平论文。
科学材料站
课 题 组 招 聘
青岛大学功能染料与应用技术研究院高薪诚聘博士后若干人，亦可与北京师范大学、南开大学等招收联合博士后，课题组网址：https://www.x-mol.com/groups/gnrlyyyjs。此外，青岛大学与北京师范大学课题组，长期招收博士、硕士研究生，课题组致力于光电材料与器件的研究，包括太阳能电池材料、器件物理、钙钛矿太阳能电池、发光二极管和柔性可穿戴器件等，有意者请联系：liuyh@qdu.edu.cn
添加官方微信 进群交流
SCI二氧化碳互助群
SCI催化材料交流群
SCI钠离子电池交流群
SCI离子交换膜经验交流群
SCI燃料电池交流群
SCI超级电容器交流群
SCI水系锌电池交流群
SCI水电解互助群
SCI气体扩散层经验交流群
备注【姓名-机构-研究方向】
投稿请联系contact@scimaterials.cn
点分享
点赞支持
点在看
