有機(jī)光伏電池（OPVs）以其輕薄、柔性、可印刷等優(yōu)勢(shì)，在過(guò)去幾年中吸引了廣泛的關(guān)注，被認(rèn)為是下一代光伏技術(shù)的理想選擇。然而，OPVs 的效率和穩(wěn)定性仍然落后于傳統(tǒng)硅太陽(yáng)能電池。非稠合受體材料因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉，備受研究人員關(guān)注，但基于非稠合受體材料的器件效率一直難以突破。

中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所侯建輝教授團(tuán)隊(duì)近期取得重大突破，通過(guò)巧妙設(shè)計(jì)合成新型非稠合受體材料，成功將基于全非稠合受體材料的器件效率提升至 16.1%，創(chuàng)下了該領(lǐng)域的新紀(jì)錄。這一研究成果發(fā)表在國(guó)際頂尖期刊《Journal of the American Chemical Society》上。

非稠合受體材料：挑戰(zhàn)與機(jī)遇

非稠合受體材料，如噻吩-苯-噻吩 (TBT) 結(jié)構(gòu)，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單及多樣性、易于合成加工，具有成本優(yōu)勢(shì)，另外，可調(diào)控光電性質(zhì)其能級(jí)、帶隙和電荷遷移率，以滿足不同應(yīng)用需求，因此在有機(jī)光伏領(lǐng)域備受關(guān)注。然而，由于其分子結(jié)構(gòu)的限制，基于非稠合受體材料的器件效率普遍較低。

l  分子堆積： 非稠合受體材料的分子間作用力較弱，容易形成無(wú)序的分子堆積，阻礙電荷傳輸，降低器件效率。

l  能量損失： 非稠合受體材料的電致發(fā)光效率較低，導(dǎo)致更多的能量以非輻射形式損失，降低器件的開(kāi)路電壓 (VOC) 和能量轉(zhuǎn)換效率。

l  穩(wěn)定性表現(xiàn)較差: 易受到氧氣和濕氣的影響，導(dǎo)致性能衰減。

l  缺乏系統(tǒng)研究：目前對(duì)非稠合受體材料的研究相對(duì)較少，缺乏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化策略，阻礙了其全面發(fā)展。

團(tuán)隊(duì)的創(chuàng)新策略

針對(duì)非稠合受體材料的缺陷，提出了巧妙的分子設(shè)計(jì)策略，有效地提升了器件的效率。研究人員設(shè)計(jì)合成了三種 TBT 基受體材料：TBT-10、TBT-11 和 TBT-13。

l  側(cè)鏈工程： 通過(guò)在 TBT 單元上引入不同位置的支鏈，研究人員發(fā)現(xiàn)，僅在 α 位引入具有較大空間位阻的支鏈的 TBT-13，展現(xiàn)出更平坦、更穩(wěn)定的構(gòu)型。

l  優(yōu)化分子堆積： TBT-13 與供體材料 PBQx-TF 混合後，能夠形成更有利的 π-π 堆積和聚集特性，有效提升了器件的電荷傳輸性能。降低陷阱密度： 高結(jié)晶性的 α-FAPbI3 薄膜具有更低的陷阱密度，有利于電荷傳輸，減少電荷重組，提高器件的效率。

突破性的成果

l  基于 TBT-13 的 OPV 器件的能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到 16.1%，突破了基于全非稠合受體材料的器件效率紀(jì)錄。

l  該研究為設(shè)計(jì)合成高性能、低成本的有機(jī)光伏材料提供了新的思路，為推動(dòng)有機(jī)光伏技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供了重要參考。
未來(lái)展望

未來(lái)，研究人員將繼續(xù)探索如何設(shè)計(jì)合成具有更高電致發(fā)光效率和更寬光譜響應(yīng)的非稠合受體材料，并結(jié)合先進(jìn)的表征手段和模擬計(jì)算，進(jìn)一步提升有機(jī)光伏電池的效率和穩(wěn)定性。

材料優(yōu)化的可能性

l  分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)： 可以進(jìn)一步探索不同結(jié)構(gòu)的非稠合受體，例如，通過(guò)引入其他共軛單元，調(diào)節(jié)分子能級(jí)和電子云分布，提高電致發(fā)光效率和光譜響應(yīng)范圍。

l  側(cè)鏈修飾： 可以對(duì)側(cè)鏈進(jìn)行修飾，例如，調(diào)整側(cè)鏈的長(zhǎng)度和分支結(jié)構(gòu)，以?xún)?yōu)化分子堆積和薄膜形貌，提高器件的穩(wěn)定性和電荷傳輸性能。

l  材料合成工藝： 可以開(kāi)發(fā)新的合成方法，以制備更純凈、更均一的非稠合受體材料，進(jìn)一步提高器件的效率。

可能的應(yīng)用領(lǐng)域

期許在未來(lái)發(fā)展非稠合受體材料的有機(jī)光伏電池上，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、可印刷等優(yōu)勢(shì)，具有廣闊的應(yīng)用前景，例如：

l  柔性太陽(yáng)能電池： 可用于柔性顯示器、穿戴式電子設(shè)備等。

l  透明太陽(yáng)能電池： 可用于建筑玻璃、汽車(chē)玻璃等，實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保。

l  低成本太陽(yáng)能電池： 可用于大規(guī)模應(yīng)用，例如，用于分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)。

Fig S11.該圖展示了兩種基于 TBT-13 的 OPV 器件的 J-V 曲線和 EQE 曲線。

重要性： 該圖展示了不同供體材料與 TBT-13 形成的 OPV 器件的性能，幫助比較不同供體材料對(duì)器件效率的影響。

Fig S12. 該圖展示了不同材料體系的歸一化電致發(fā)光 (EL) 光譜和 s-EQE 光譜以及相應(yīng)的擬合曲線，以及 PTVT-BT: A4T-32 器件的 EQEEL 曲線。

重要性： 該圖幫助分析不同材料體系的電致發(fā)光效率，并比較不同器件的電致發(fā)光性能。

Fig S16.該圖展示了不同材料體系的 VOC 和 JSC 與光強(qiáng)度的關(guān)系。

重要性： 該圖幫助分析器件的電荷分離和傳輸效率，以及器件的性能與光強(qiáng)度的關(guān)系。

原文出處: Journal of the American Chemical Society

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