全球能源危機不斷加重，如何利用和開發(fā)新能源從而實現(xiàn)低碳減排，已經(jīng)成為全人類共同關(guān)注并努力探討的重大問題之一。太陽能電池作為一種利用太陽能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置，是目前最重要的新能源技術(shù)之一。相比較于傳統(tǒng)的硅基太陽能電池，新型的有機太陽能電池憑借其溶液可加工性、質(zhì)輕價廉、柔性可折疊等強大優(yōu)勢，得到了學(xué)術(shù)和工業(yè)界的青睞。最近，中國科學(xué)院大學(xué)材料科學(xué)與光電技術(shù)學(xué)院黃輝教授與張昕副教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組通過非共價“構(gòu)象鎖”理性設(shè)計高效固態(tài)添加劑、逐層旋涂技術(shù)調(diào)控垂直組分分布以及三元給體合金調(diào)控電荷轉(zhuǎn)移態(tài)等策略數(shù)次創(chuàng)造并打破有機太陽能器件的最高效率，取得以下系列重要進展。
1. JACS：非共價“構(gòu)象鎖”助力平面型固體添加劑的設(shè)計
在本工作中，研究人員以固體添加劑分子的構(gòu)象調(diào)控作為研究的切入點，分別設(shè)計合成了扭曲型固體添加劑SAD1，以及平面型固體添加劑SAD2（引入S···O非共價“構(gòu)象鎖”）。通過系統(tǒng)深入的對比研究，該團隊揭示了該類固體添加劑的工作機理，并發(fā)現(xiàn)固體添加劑分子的構(gòu)象對調(diào)控活性層形貌以及提高光伏器件性能起著至關(guān)重要的影響。最后，通過平面型固體添加劑SAD2處理的有機太陽能器件獲得了18.85%的光電轉(zhuǎn)化效率（中國計量科學(xué)研究院的認證效率為18.7%），創(chuàng)造了當(dāng)時單結(jié)二元有機太陽能電池的最高記錄值。該研究不僅初步闡明了固體添加劑的工作原理，同時也進一步展示了非共價“構(gòu)象鎖”策略在分子設(shè)計方面的應(yīng)用潛力。
原文鏈接： Li, C.; Gu, X.; Chen, Z.; Han, X.; Yu, N.; Wei, Y.; Gao, J.; Chen, H.; Zhang, M.; Wang, A.; Zhang, J.; Wei, Z.; Peng, Q.; Tang, Z.; Hao, X.; Zhang, X.; Huang, H. Achieving Record-Efficiency Organic Solar Cells upon Tuning the Conformation of Solid Additives. J. Am. Chem. Soc. 2022, 144 (32), 14731-14739.（該論文被選為Supplementary Cover）
https://doi.org/10.1021/jacs.2c05303
2. AM：調(diào)控垂直組分分布，二元有機太陽能電池效率突破19%
該研究團隊利用兩步的逐層旋涂技術(shù)構(gòu)建了基于D18和L8-BO的二元光伏器件。通過調(diào)控兩步旋涂的轉(zhuǎn)速，精細的優(yōu)化了光活性層在垂直方向的組分，獲得了19.05%的能量轉(zhuǎn)化效率。值得一提的是，這種逐層旋涂技術(shù)制備的器件性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)共混旋涂制備的器件（18.14%）。機理研究表明，這種逐層旋涂技術(shù)有效地調(diào)節(jié)了活性層的垂直組分分布，使其具有更高的結(jié)晶度、有效的激子解離、較低的能量損失和平衡的電荷傳輸。研究者進一步將此方法拓展到多個給/受體材料體系，展示出了良好的普適性，充分展示了這一簡單的逐層旋涂技術(shù)在調(diào)控垂直組分分布，提高有機太陽能電池器件性能方面的巨大潛力。
原文鏈接：Wei, Y.; Chen, Z.; Lu, G.; Yu, N.; Li, C.; Gao, J.; Gu, X.; Hao, X.; Lu, G.; Tang, Z.; Zhang, J.; Wei, Z.; Zhang, X.; Huang, H. Binary Organic Solar Cells Breaking 19% via Manipulating the Vertical Component Distribution. Adv. Mater. 2022, 34 (33), 2204718.
https://doi.org/10.1002/adma.202204718
3. AS：三元給體合金策略調(diào)控電荷轉(zhuǎn)移態(tài)，獲得高開壓和超過19.2%的光電轉(zhuǎn)化效率
研究人員選擇化學(xué)結(jié)構(gòu)相似的PM6和D18-Cl作為給體、L8-BO作為受體制備了三元光伏器件。由于PM6和D18-Cl具有較好的混溶性，兩者在三元活性層中傾向于形成給體合金。該推測通過接觸角測試、差示掃描量熱法和循環(huán)伏安法等測試表征中得到了進一步驗證。該給體合金的形成則有利于在較寬的PM6:D18-Cl重量比例范圍內(nèi)調(diào)控合金給體的能級，進而可連續(xù)調(diào)節(jié)活性層中的CT態(tài)。一方面，三元器件中CT態(tài)能量（ECT）的提升可以降低光生電荷產(chǎn)生過程中所需激子解離驅(qū)動力引起的能量損失（ΔECT = Eg ? ECT）。另一方面，器件中降低的ΔECT還能促進LE態(tài)和CT態(tài)的雜化，進而提高CT態(tài)發(fā)光并降低非輻射能量損失（ΔEnon–rad）。最終，三元器件能量損失得到明顯降低，獲得了高達0.91 V的開路電壓。這是目前已報道的光電轉(zhuǎn)化效率超過19%的單結(jié)器件最高開壓值。這一最新成果表明通過三元給體合金策略調(diào)控給受體界面形成的CT態(tài)是降低器件能量損失、提高器件性能的有效方法。
原文鏈接：Gao, J.; Yu, N.; Chen, Z.; Wei, Y.; Li, C.; Liu, T.; Gu, X.; Zhang, J.; Wei, Z.; Tang, Z.; Hao, X.; Zhang, F.; Zhang, X.; Huang, H. Over 19.2% Efficiency of Organic Solar Cells Enabled by Precisely Tuning the Charge Transfer State Via Donor Alloy Strategy. Adv. Sci. DOI: 10.1002/advs.202203606.
https://doi.org/10.1002/advs.202203606
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