寧波材料所揭示給體／受體界面性能對有機太陽能電池的影響

發布時間：2024-01-28 21:16 原文鏈接：寧波材料所揭示給體／受體界面性能對有機太陽能電池的影響

　　近幾年來，有機太陽能電池（OSCs）在活性層材料設計、器件加工優化、穩定性提高等方面取得了發展，特別是功率轉換效率已達到19%以上，為未來商業化應用提供了保障。Y系列非富勒烯受體的出現，有效提高了OSCs的光伏性能。其中，端基鹵化策略（一般指氟化和氯化）被證實是調節受體光電性能簡單有效的方法，但哪種更好的爭論一直存在。

　　近日，中國科學院寧波材料技術與工程研究所研究員葛子義和劉權帶領的有機光電材料與器件團隊，合成了兩種具有不同缺電子端基的新型受體分子——C9N3-4F和C9N3-4Cl，并分別與高分子主鏈具有不同缺電子基團（DTBT和BDD）的兩個給體（D18和PM6）混合制備二元器件。詳細的理論計算和界面結構形貌表征表明，受體的不同端基與給體缺電子基團之間具有不同的堆疊距離和結合能，導致給體/受體分子間混溶性存在差異，對相分離形貌、電荷輸運行為和OSCs器件性能具有明顯影響。

　　通過AFM、TEM和GIWAXS等形貌表征和激子電荷動力學研究表明，基于D18：C9N3-4F和PM6：C9N3-4Cl的共混膜具有精細的相分離形貌和優異的電荷傳輸性能，而基于D18：C9N3-4Cl的共混膜中分子過度聚集且雙分子復合嚴重，基于PM6：C9N3-4F的共混膜中相分離尺寸過小，導致存在陷阱輔助分子復合。

　　在經過其他三對已報道的具有相同共軛中心骨架但端基不同的受體分子驗證后（Y6和Y7、Y6-BO和Y7-BO、AsymSSe-2F和AsymSSe-2Cl），研究得到一個普適性結論，即基于D18與氟化端基受體和PM6與氯化端基受體的這兩類光伏器件普遍具有優異效率、高填充因子和良好穩定性。基于D18：C9N3-4F和PM6：C9N3-4Cl的二元器件效率分別達到18.53%和18.00%，且在85℃下存儲500 h后仍可保持其初始電池效率的90%。

　　研究表明，簡單評判受體分子氟化和氯化策略的優劣是不合理的，而選擇合適的給體材料和調節給體/受體界面結構可以更大限度地呈現新型設計受體分子的光電轉換能力，有益于未來高性能且穩定的有機太陽能電池的分子設計和材料選擇。

　　相關研究成果以The Influence of Donor/Acceptor Interfaces on Organic Solar Cells Efficiency and Stability Revealed through Theoretical Calculations and Morphology Characterizations為題，發表在《德國應用化學》上。研究工作得到國家自然科學基金的支持。