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深圳大楊楚羅新型三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)受體材料實現(xiàn)20%有機太陽能電池

發(fā)表時間:2024/8/27 17:02:30

前言

有機太陽能電池(OSCs)因其輕便、柔性、可大面積制備等優(yōu)勢,近年來備受關(guān)注。為了提升OSCs的效率,研究人員不斷開發(fā)新型有機光伏受體材料,特別是基于受體-供體-受體(A-D-A)結(jié)構(gòu)的小分子受體(SMAs)。然而,目前高效率的OSCs器件通常依賴于含鹵素溶劑,這不利于其大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。因此,開發(fā)與無鹵素溶劑兼容的高效有機光伏材料至關(guān)重要。

深圳大學(xué)楊楚羅團隊八月于Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.202407517) 中發(fā)表的研究成果,提出了一種基于苯并[a]吩嗪 (BP) 核心的新型SMA,并通過異構(gòu)化氯化策略,設(shè)計了一系列SMA,包括未氯化的NA1、10位氯取代的NA28位氯取代的NA37位氯取代的NA4。重要的是,在PM6二元混合物中加入D18-Cl,可以增強晶體學(xué)有序性和增加供體相的激子擴散長度,從而使三元器件的效率達(dá)到19.75%(認(rèn)證為19.39%)。這些發(fā)現(xiàn)強調(diào)了在高效SMAs的設(shè)計中,融入新的電子缺陷單位對于實現(xiàn)環(huán)境友好型溶劑加工有機太陽能電池的重要性。


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導(dǎo)讀目錄

1.      前言

2.      研究目的

3.      研究方法

4.      器件與表征

5.      結(jié)論


研究目的

研究的目的在于開發(fā)與無鹵溶劑兼容的高效有機光伏材料,以克服當(dāng)前高性能有機太陽能電池對含鹵溶劑的依賴。通過設(shè)計和合成一系列基于苯并[a]菲嗪(BP)核心的小分子受體(SMAs),研究人員旨在實現(xiàn)高效的能量轉(zhuǎn)換效率(PCE),尤其是在使用正交二甲苯(o-XY)作為加工溶劑時。此外,研究還探索了氯原子取代位置對分子溶解性和結(jié)晶/聚集行為的影響,以及如何通過在二元混合物中加入D18-Cl來進(jìn)一步提高器件的效率。


研究方法

本研究旨在設(shè)計、探究基于苯并[a]菲嗪 (BP) 為核心的新型小分子受體 (SMAs) 的分子結(jié)構(gòu),并評估其在有機太陽能電池中的應(yīng)用,主要研究方法如下:

1. 材料設(shè)計與合成

研究團隊設(shè)計了一系列以苯并[a]菲嗪(BP)為核心的三維網(wǎng)絡(luò)受體材料,小分子受體(SMAs),并通過異構(gòu)化氯化策略合成了四種目標(biāo)材料,分別為NA1、NA2、NA3NA4

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  1. (a) 二面角:顯示了NA1NA2NA3NA4N–C–C–N二面角,分別為8.9°、9.0°9.1°9.0°,表明這些分子的平面性。

  2. (b) 最佳二聚體結(jié)構(gòu):展示了這些分子的最佳二聚體結(jié)構(gòu),包括π?ππ?π堆積距離和LUMO軌道重疊長度。所有分子的能量差(ΔE)為0 eV,顯示出穩(wěn)定的堆積結(jié)構(gòu)。NA3IC/BP相互作用距離為13.84 ?,顯示出良好的分子堆積。

  3. (c) 單晶堆積模式:展示了NA3的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和不同二聚體的堆積模式。特別是,Dimer IVIC/IC相互作用顯示出104.3 meV的電子耦合,表明其優(yōu)異的電子傳輸能力。

2. 理論模擬

使用密度泛函理論(DFT)計算來模擬分子的單分子幾何和局部偶極矩,以了解分子的平面性和分子間的相互作用,并計算電子耦合和進(jìn)行分子軌道分析。

3. 其他測試

l   循環(huán)伏安法(CV):用于測定材料的氧化還原電位,進(jìn)而確定分子的能級和氧化還原特性。

l   空間電荷限制電流(SCLC)方法:用于測量薄膜的載流子遷移率。

l   瞬態(tài)吸收光譜學(xué)(TAS):用于研究激子動態(tài),分析激子的擴散和解離行為。


器件與表征

本研究通過多種表征手段,深入探究了基于苯并[a]菲嗪 (BP) 為核心的新型小分子受體 (SMAs) 的分子結(jié)構(gòu)、光電性質(zhì)、薄膜形態(tài)以及器件性能,主要成果如下:

1. 器件性能

l   J-V曲線測量: 研究團隊使用 Keysight B2901A Source Meter 在恒溫箱中,模擬 AM 1.5G100 mW cm^-2標(biāo)準(zhǔn)光照條件下,使用 Enlitech 太陽模擬器測量器件的 J-V 曲線。通過分析 J-V 曲線,可以獲得器件的開路電壓(Voc)、短路電流密度(Jsc)、填充因子(FF)和能量轉(zhuǎn)換效率(PCE)等關(guān)鍵參數(shù),并比較不同材料組合的性能差異。

l   外量子效率(EQE測量: 研究團隊使用Enlitech公司生產(chǎn)的 Solar Cell Spectral Response Measurement System QE-R3011 進(jìn)行 EQE 測量,以獲取太陽能電池在 300-900 nm 波長范圍內(nèi)的光電轉(zhuǎn)換效率信息。通過 EQE 測量,可以計算出每個波長的光電轉(zhuǎn)換效率,并與標(biāo)準(zhǔn)單晶硅光伏電池進(jìn)行校準(zhǔn),進(jìn)一步理解器件對不同波長光子的響應(yīng)能力,以及激子的產(chǎn)生和收集效率。此外,通過光電流密度與 EQE 曲線的積分,可以驗證 Jsc 的準(zhǔn)確性。


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(a) J-V曲線:顯示了不同材料組合(PM6、PM6PM6、PM6)的電流密度與電壓關(guān)系。PM6表現(xiàn)出最佳性能。

        (b) EQE曲線:展示了這些材料在不同波長下的外量子效率。PM6在大多數(shù)波長下的EQE最高。

        (c) JphJph vs VeffVeff:顯示了光生電流密度與有效電壓的關(guān)系,PM6的曲線表明其更高的光電轉(zhuǎn)換效率。

        (d) J-V曲線(PM6:D18-Cl vs PM6:比較了加入D18-Cl后的器件性能,顯示出效率的提升。插圖中顯示了認(rèn)證的PCE19.39%。

        (e) EQE曲線(PM6:D18-Cl vs PM6:顯示了加入D18-Cl后的EQE變化,表明光電轉(zhuǎn)換性能的提升。

        (f) PCE vs VOC×JSCVOC×JSC:比較了本研究與先前報告的器件效率,顯示出本研究的器件在效率上有顯著提升。



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Figure S7顯示了PM6PM6PM6PM6PM6:D18-Cl混合物的J-V特性在黑暗中的特征。這張圖表用于評估太陽能電池中的電荷傳輸和收集效率,特別是在沒有光照的情況下。通過分析這些曲線,可以了解器件中的空間電荷限制電流(SCLC)行為,并計算出電荷遷移率。

2. 分子結(jié)構(gòu)與性質(zhì)

l   核磁共振(NMR): 用于鑒定化合物的化學(xué)結(jié)構(gòu),包括1H NMR13C NMR,確認(rèn)了目標(biāo)分子的成功合成

l   質(zhì)譜(MS): 用于測定化合物的分子量和純度,驗證了合成物質(zhì)的準(zhǔn)確性。

l   理論模擬: 使用密度泛函理論(DFT)計算來模擬分子的單分子幾何和局部偶極矩,以了解分子的平面性和分子間的相互作用,并計算電子耦合和進(jìn)行分子軌道分析。

l   單晶X射線衍射(XRD): 通過單晶X射線衍射實驗來研究分子的晶體結(jié)構(gòu)和分子間的堆積行為,揭示了分子排列和晶體堆積方式。

l   電化學(xué)測試: 進(jìn)行循環(huán)伏安法(CV)測試來確定材料的氧化還原電位,進(jìn)而確定分子的能級和氧化還原特性。

l   紫外-可見吸收光譜: 測量薄膜和溶液的吸收光譜,以了解分子的光吸收特性,分析其光譜吸收范圍和強度。

3. 薄膜形態(tài)與特性

l   二維掠入射廣角X射線散射(GIWAXS): 使用GIWAXS技術(shù)來分析薄膜的分子堆積和聚集特征,探究薄膜的結(jié)晶度和取向。

l   原子力顯微鏡(AFM): 用于分析薄膜的表面形態(tài),觀察表面粗糙度和相分離情況。

l   透射電子顯微鏡(TEM): 用于觀察薄膜的體態(tài)結(jié)構(gòu),研究薄膜內(nèi)部的微觀形貌和相分布。

l   空間電荷限制電流(SCLC)方法: 使用SCLC方法來測量薄膜的載流子遷移率,評估電荷傳輸性能。

4. 瞬態(tài)吸收光譜學(xué)(TAS): 用于研究激子動態(tài),分析激子的擴散和解離行為,了解激子在材料中的傳輸和分離過程。

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結(jié)論

1.          新型小分子受體的設(shè)計與合成:研究團隊設(shè)計并合成了一系列以苯并[a]菲嗪為核心的小分子受體,這些材料在結(jié)構(gòu)上具有創(chuàng)新性,特別是在氯原子的精確定位方面。

2.          高效率OSCs的實現(xiàn):通過使用這些新設(shè)計的受體材料,研究人員在使用正交二甲苯作為加工溶劑時,實現(xiàn)了接近20%的能量轉(zhuǎn)換效率,這是該領(lǐng)域的一個重要進(jìn)步。

3.          環(huán)境友好型溶劑處理的示范:研究證明了使用非鹵素溶劑(如正交二甲苯)來制備高效率OSCs的可行性,這對于推動OSCs的大規(guī)模商業(yè)化和環(huán)境友好型生產(chǎn)具有重要意義。

4.          深入的結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系分析:研究通過理論模擬和實驗手段,詳細(xì)分析了分子結(jié)構(gòu)、薄膜形態(tài)和器件性能之間的關(guān)系,為未來材料設(shè)計提供了重要的參考。

5.          高效能器件的制備方法:通過在PM6二元混合物中加入D18-Cl,進(jìn)一步提升了器件的效率,這提供了一種優(yōu)化OSCs性能的新策略。

這些新知識為有機太陽能電池領(lǐng)域的進(jìn)一步研究和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ),并為解決當(dāng)前OSCs行業(yè)面臨的挑戰(zhàn)提供了新的解決方案。


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文獻(xiàn)參考自Advanced Materials_DOI:10.1002/adma.202407517

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