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孫艷明&劉烽Nature Energy：最高紀錄！有機太陽能電池效率突破18%！

▲通訊作者：孫艷明教授、劉烽

▲單位：北京航空航天大學、上海交通大學

溶液處理體異質結有機太陽能電池(OSCs)由于具有成本低、重量輕、透明和靈活等優點，已成為無機太陽能電池的一種有前途的替代品。非富勒烯受體(NFAs)可以更好地利用長波長吸收和優化電子結構，從而提高光電流密度和輸出電壓，顯著提高OSCs的功率轉換效率(PCE)。

因此，使用Y6型受體的OSCs已獲得超過18%的PCE。然而，與無機和鈣鈦礦太陽能電池相比，OSCs表現出高能量損失(E_loss)和低填充因子(FF)，這阻礙了器件性能。系統優化設計合適的材料是解決這些問題的關鍵。

NFAs的快速發展為OSCs帶來了新的機遇，降低電荷產生的驅動力可以有效地提高開路電壓(Voc)，適當的形貌和電荷輸運可以使OSCs具有高的開路電壓和超過75%的FFs。這種勢頭應該繼續下去，并延伸到進一步操縱材料的性質。器件損耗和FF的復雜性不僅表現在電子結構上，還表現在形態上，其中涉及到分子的有序、相分離和混合。因此，他們將材料構建的范式轉向了分子間相互作用的控制，并試圖從中找到控制分子間偶聯和載流子輸運的途徑，以改善FF，抑制損耗。

非富勒烯受體的分子設計對于高效有機太陽能電池至關重要。支鏈改性通常被認為是一種反直覺的方法，因為它可能引入一個不期望的空間位阻，減少非富勒烯受體的電荷傳遞。本研究利用支鏈烷基鏈取代Y6基二硫代噻吩[3,2-b]-吡咯苯并噻吩二唑核上噻吩單元的β位置，設計合成了一個高效的非富勒烯受體家族。他們顯示了藍移光吸收，減少帶隙和向上移動的最低未占據分子軌道(LUMO)能級，這有可能提高器件性能。他們研究了單晶體中分子的精確排列，主鏈相互作用發生了系統性的變化。并記錄了晶體和薄膜中不同的結晶行為。研究發現，這種對不同烷基鏈長度的修飾可以完全改變非富勒烯受體的分子堆積行為，從而改善薄膜中的結構秩序和電荷輸運。單結有機太陽能電池的效率達到了前所未有的18.32%(認證值為17.9%)，填充系數達到了81.5%。

本研究揭示了支鏈烷基鏈拓撲結構在調節分子填料和共混形態中的重要性，從而提高有機光伏性能。

孫艷明&劉烽Nature Energy：最高紀錄！有機太陽能電池效率突破18%！

圖1. 分子結構，光物理性質和光伏性質

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圖2. NFAs的單晶結構和分子填充特性

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圖3. 共混膜的形貌表征

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圖4. PM6:NFA太陽能電池的能量損失分析

鏈接

Li, C., Zhou, J., Song, J. et al. Non-fullerene acceptors with branched side chains and improved molecular packing to exceed 18% efficiency in organic solar cells. Nat Energy (2021).

https://doi.org/10.1038/s41560-021-00820-x

原創文章，作者：科研小搬磚，如若轉載，請注明來源華算科技，注明出處：http://www.zzhhcy.com/index.php/2023/11/04/3a59a9787c/

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