近二十年以来，有机太阳电池（OSCs）由于具有可溶液加工、质轻、机械柔韧性好、半透明等独特优势而受到了国内外光伏领域的广泛关注。同时，得益于窄带隙小分子受体（SMAs）和宽带隙共轭聚合物给体的蓬勃发展，特别是A-DA'D-A类SMAs（Y6及其衍生物）的出现，OSCs的能量转换效率（PCE）节节攀升，已然满足了商业化应用的门槛。然而，现阶段所报道的高性能有机光伏材料存在合成步骤繁琐、提纯过程复杂、产量较低等问题，因而导致活性层材料的制造成本偏高，不利于推进有机光伏组件的大规模生产和商业化进程。
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图1.活性层材料的分子结构、物理化学性质和光伏性能
针对上述问题，在国家自然科学基金委和河南省自然科学基金委的大力支持下，郑州大学化学学院孙晨凯课题组基于此前发表的相关工作，设计并合成了两种新型的A-DA'D-A类SMAs（PEH-F和TEH-F，分子结构如图1所示）与低成本的聚合物给体PTQ11匹配以实现材料成本和光伏性能的“双赢”。得益于0.511 eV的低能量损失以及在能极差仅为0.06 eV下所实现的高效激子解离和空穴传输过程，基于PTQ11:PEH-F的二元OSCs同时获得了0.936 V的高电压和26.53 mA cm-2的高电流，最终实现了19.73%的PCE，这是目前所报道的基于低成本有机光伏体系OSCs的最高效率。![]()
另外，该课题组根据材料的合成路线和分离纯化工艺，结合原料、中间体、并结合原料、中间体、试剂的用量和价格、各化学反应的合成产率、分子分离纯化操作等提出了一种更为全面的有机光伏组件成本计算方法，并选择了当前所报道的22个高性能有机光伏体系进行了深入的成本可行性分析。计算结果表明，基于PTQ11:PEH-F的二元器件表现出较小的效率-成本差距，其最低可持续价格（MSP）仅0.35 $ Wp-1（每峰瓦成本），远远低于基于其他有机光伏体系的器件（MSP大多都高于0.42 $ Wp-1）。因此，PTQ11:PEH-F二元体系有望成为有机光伏组件大规模生产时的活性层体系，在未来商业化应用中具有十分广阔的应用前景和极其重要的市场价值。相关研究成果以“Suppressed Non-Radiative Loss and Efficient Hole Transfer at Small Highest Occupied Molecular Orbital Offset Enables 19.73% Efficiency Binary Organic Solar Cells with Small Efficiency-Cost Gap”为题于近日发表在国际顶级学术期刊《Energy & Environmental Science》上，郑州大学化学学院直聘副研究员孔晓磊和硕士研究生杨娜娜为论文共同第一作者，郑州大学化学学院直聘教授孙晨凯为论文的通讯作者，郑州大学化学学院为第一单位。
论文链接：
https://doi.org/10.1039/D4EE03000A
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