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寧波材料所在全小分子有機太陽能電池研究中取得進展

2020-02-27 寧波材料技術與工程研究所
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  有機太陽能電池作為新一代太陽能電池技術近年來受到廣泛關注。相比較于傳統的硅基太陽能電池,有機太陽能電池具有成本低、柔性、可大面積印刷制備等優點。目前制備高效有機太陽能電池的主流策略是使用聚合物給體和非富勒烯受體材料構建活性層。但聚合物材料在制備過程中通常存在分子量和分散度難以精確控制、難提純、材料的批次穩定性差等問題,相應制備的有機太陽能電池效率的重復性降低,不利于大規模商業化應用。而有機小分子的分子量確定,可以精確合成,易于提純,批次穩定性好,有利于大規模制備。因此,全小分子有機太陽能電池具有較高的商業化應用潛力。但由于全小分子電池給體和受體都為小分子結構,使得其難以形成像聚合物薄膜那樣較為理想的雙連續互穿網絡形貌。過強的給體結晶會使給體與受體嚴重共混,而太弱則不利于給體分子間緊密的π-π堆積,從而降低電荷傳輸。所以全小分子電池中難以調控的相形貌,致使其光電轉化效率一直處于較低水平。

  近期,中國科學院寧波材料技術與工程研究所葛子義團隊報道了一種具有13.34%光電轉化效率的非富勒烯全小分子有機太陽能電池,這是目前已報道的全小分子有機太陽能電池的最高效率之一。研究發現使用雙氟原子修飾基于苯并二噻吩(BDT)單元的小分子給體的側基,能有效提升器件電壓,降低分子結晶性,改善相分離形貌;同時氟原子的引入能促使分子間更緊密的π-π堆積,從而使器件的效率獲得顯著提升。該研究進一步系統分析了不同取代位置和個數的氟化對于器件性能和分子堆積的影響,發現單氟取代對小分子的π-π堆積影響較小,并且其主要通過降低分子的HOMO能級來提升器件性能。而BDT連接的上下噻吩側基的雙氟化,則有利于形成F-H的非價鍵力作用,分子扭轉角最小,最利于材料的共軛平面堆積,進而得到最高的光電轉化效率。相關成果以13.34% Efficiency Non-fullerene All-Small-Molecule Organic Solar Cells Enabled by Modulating the Crystallinity of Donors via a Fluorination Strategy 為題發表在《德國應用化學》雜志上(Angewandte Chemie International Edition,DOI:10.1002/anie.201910297)。

  該研究得到國家杰出青年科學基金(21925506)、國家重點研發計劃(2017YFE0106000)、殼牌合作項目(No. PT78950)和浙江省自然科學基金(LR16B040002)等的支持。

    論文鏈接

圖1 a) 全小分子電池器件結構;b) 小分子給體和受體的化學結構

圖2 a)器件J-V曲線;b) 全小分子電池效率統計分布圖;c) 器件的EQE曲線

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