前言

有機(jī)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(jī)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(jī)光伏材料至關(guān)重要。

深圳大學(xué)楊楚羅團(tuán)隊(duì)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(jì)了一系列SMA，包括未氯化的NA1、10位氯取代的NA2、8位氯取代的NA3和7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(qiáng)晶體學(xué)有序性和增加供體相的激子擴(kuò)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(qiáng)調(diào)了在高效SMAs的設(shè)計(jì)中，融入新的電子缺陷單位對于實(shí)現(xiàn)環(huán)境友好型溶劑加工有機(jī)太陽能電池的重要性。

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(jī)光伏材料，以克服當(dāng)前高性能有機(jī)太陽能電池對含鹵溶劑的依賴。通過設(shè)計(jì)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(shí)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(jì)、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(jī)太陽能電池中的應(yīng)用，主要研究方法如下：

1. 材料設(shè)計(jì)與合成

研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)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、NA3和NA4。

1. (a) 二面角：顯示了NA1、NA2、NA3和NA4的N–C–C–N二面角，分別為8.9°、9.0°、9.1°和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)。NA3的IC/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 IV的IC/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(jì)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(jì)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(kuò)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(tuán)隊(duì)使用 Keysight B2901A Source Meter 在恒溫箱中，模擬 AM 1.5G（100 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(tuán)隊(duì)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(jì)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(yàn)證 Jsc 的準(zhǔn)確性。

(a) J-V曲線：顯示了不同材料組合（PM6、PM6、PM6、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PCE為19.39%。

        (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(bào)告的器件效率，顯示出本研究的器件在效率上有顯著提升。

Figure S7顯示了PM6、PM6、PM6、PM6和PM6: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(jì)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 NMR和13C 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(yàn)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(jì)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(jì)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(shí)驗(yàn)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(qiáng)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(kuò)散和解離行為，了解激子在材料中的傳輸和分離過程。

結(jié)論

1.          新型小分子受體的設(shè)計(jì)與合成：研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)：通過使用這些新設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(jì)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(jī)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。

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

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