前言

有機光伏（OPV）電池因其輕薄柔性、可印刷等優(yōu)勢，被視為具潛力的下一代可再生能源技術。然而，效率和穩(wěn)定性不足一直制約著OPV的商業(yè)化應用。

中科院侯劍輝團隊發(fā)表在期刊《Advanced Energy Materials》(29 Mar.Doi:10.1002/aenm.202303605)上的研究成果顯示，通過在非富勒烯受體材料中引入吡咯環(huán)，可以顯著提升有機光伏（OPV）電池在室內(nèi)光照下的發(fā)電性能。研究團隊設計合成了兩種新型材料FICC-EH和FICC-BO，并發(fā)現(xiàn)它們在有機發(fā)光二極管（OLED）中展現(xiàn)出優(yōu)異的量子效率，其中FICC-BO基OLED器件的量子效率更是高達0.1%，這在OPV材料中屬于相當亮眼的成績。更重要的是，基于FICC-BO的OPV電池在室內(nèi)1000 lux LED光照下實現(xiàn)了25.4%的功率轉(zhuǎn)換效率（PCE），遠高于標準光照（AM1.5G）下的12.0% PCE，充分展現(xiàn)了吡咯環(huán)在提升室內(nèi)OPV電池性能方面的巨大潛力。

導讀目錄

1.       前言

2.       研究方法－烷基鏈調(diào)控與合成路線全解析

3.       表征方法

l   光電性能測量

l   光學性質(zhì)測量

l   結(jié)構(gòu)和形態(tài)學分析

l   化學結(jié)構(gòu)和組成分析

l   電化學性質(zhì)測量

4.       結(jié)論－提升有機光伏電池性能的策略：吡咯環(huán)

研究方法－烷基鏈調(diào)控與合成路線全解析

為了設計和合成兩種新型材料FICC-EH和FICC-BO，研究人員首先在共軛骨架中加入了兩個吡咯環(huán)，并對吡咯環(huán)上的烷基鏈進行了調(diào)節(jié)，以控制其聚集特性。具體的合成路徑如下：

1. FICC-EH和FICC-BO的合成使用了Na2CO3作為催化劑，在THF/H2O（5:1）混合溶劑中，以Pd(PPh3)2Cl2作為催化劑，反應溫度為60℃。
        
        

2. 接著使用三乙基磷酸酯和o-二氯苯在180℃下進行反應，然后使用KOH、KI和DMF在100℃下進行反應。
        

3. 最后使用POCI3和DMF在室溫下進行反應，并使用吡啶和氯仿在室溫下進行反應。

通過這些步驟，研究人員成功合成了FICC-EH和FICC-BO，并通過量子化學計算和實驗測試來優(yōu)化其結(jié)構(gòu)和光電特性。

表征方法

1. 光電性能測量：

• J-V測量：評估太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，利用Enlitech的SS-X50太陽能模擬器進行J-V測量，評估OPV電池在標準太陽光照條件（AM1.5G）下的開路電壓（Voc）、短路電流密度（Jsc）、填充因子（FF）和功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）。

• EQE（外部量子效率）測量：使用Enlitech的QE-R3011太陽能電池光譜響應測量系統(tǒng)被用來測量外部量子效率（EQE）光譜，評估太陽能電池在不同波長下的光電轉(zhuǎn)換效率。
       

       
        圖5b：展示了PBQx-TF和PBQx-TF基電池的外部量子效率（EQE）曲線。
       
       

• EQEEL（電致發(fā)光外部量子效率）測量：使用Enlitech的ELCT-3010（現(xiàn)Enlitech REPS）測量EQEEL曲線，評估材料的電致發(fā)旋光性能。
       

  
       
        根據(jù)圖2a，FICC-EH和FICC-BO的EQEEL值約為4.1 x 10^-4，這顯著高于ITIC系列，并接近Y系列的水平。

• FTPS-EQE測量：利用Enlitech的PECT-600（現(xiàn)Enlitech FTPS）進行FTPS-EQE測量，分析電池的能量損失（Eloss）和帶隙（Eg），并確定材料的光電轉(zhuǎn)換特性。
       

  
       
        圖S12a：展示電致發(fā)光和高靈敏度外部量子效率（s-EQE）測量，以研究兩種有機光伏（OPV）電池的能量損失（Eloss）。在圖S12a（支持信息）中顯示，OPV電池的帶隙（Eg）可以通過dEQE/dE的導數(shù)來確定。PBQx-TF和PBQx-TF基電池的帶隙分別為1.69 eV和1.70 eV

  
       

  
       
        圖S12b、c：s-EQE曲線的擬合結(jié)果，從而幫助確定PBQx-TF和PBQx-TF基電池的能量損失（Eloss）。這些電池的Eloss分別為0.65 eV和0.66 eV。

  
       

• Photo-CELIV（光誘導電荷載流子提取）測量：評估太陽能電池的電荷載流子動力學。

• OLED性能測量：使用Enlitech的LQ-50X測量OLED的性能，包括發(fā)光光譜和發(fā)光效率，其中FICC-BO被用作OLED的發(fā)光層材料。
       

       
        Figure 2b：這張圖表展示了OLED的結(jié)構(gòu)，具體為ITO/PEDOT/FICC-BO/TPBi/LiF/Al。這有助于理解OLED的組成和層次結(jié)構(gòu)。

  
       
        Figure 2c：顯示了OLED的發(fā)射光譜，主要覆蓋700到850 nm的范圍，并在759 nm處達到發(fā)射峰值。表示OLED的發(fā)光特性和顏色純度

  
       
        Figure 2d：展示了OLED在寬電壓范圍內(nèi)的量子效率（QE）值，顯示出穩(wěn)定的0.1% QE，這表明OLED的性能穩(wěn)定性。

2. 光學性質(zhì)測量：

• TA（瞬態(tài)吸收）測量：研究材料的激發(fā)態(tài)動力學。

• 紫外-可見吸收光譜測量：測量材料的吸收光譜。
       
        圖1d：FICC-EH和FICC-BO在溶液和薄膜狀態(tài)下的紫外-可見吸收光譜。這些光譜顯示了它們的最大吸收峰和吸收起始點，

• 室內(nèi)光譜輻射度校準：校準室內(nèi)光的譜放射度。
       
        圖5h：用于室內(nèi)OPV電池測試的3000K LED光源的發(fā)射光譜。
       
       

o    LED（3000K）的譜放射度測量：使用Enlitech的HS-IL分光計校準室內(nèi)光（LED，3000K）的譜放射度，并利用3000K LED燈提供1000 lux的照明，模擬室內(nèi)照明條件，評估OPV電池在室內(nèi)環(huán)境下的Voc、Jsc、FF和PCE。

3. 結(jié)構(gòu)和形態(tài)學分析：

• GIWAXS（掠入射廣角X射線散射）測量：分析材料的晶體結(jié)構(gòu)和薄膜形態(tài)。

• AFM（原子力顯微鏡）測量：觀察材料的表面形態(tài)。

4. 化學結(jié)構(gòu)和組成分析：

• NMR（核磁共振）測量：確定材料的化學結(jié)構(gòu)。

• MALDI-TOF質(zhì)譜測量：分析材料的分子質(zhì)量和化學組成。

5. 電化學性質(zhì)測量：

• 電化學循環(huán)伏安法測量：研究材料的氧化還原行為和能級。

結(jié)論－提升有機光伏電池性能的策略：吡咯環(huán)

本研究證實，在非富勒烯受體材料（NFAs）的共軛骨架中引入吡咯環(huán)，可以提升其光電性能，為開發(fā)高效有機光伏（OPV）電池提供助力。

設計合成的兩種新型非富勒烯受體材料FICC-EH和FICC-BO，在有機發(fā)光二極管（OLED）中展現(xiàn)出良好的量子效率。其中，FICC-BO基OLED器件的量子效率達到0.1%。

此外，基于FICC-BO的OPV電池在標準光照（AM1.5G）下實現(xiàn)了12.0%的功率轉(zhuǎn)換效率（PCE），在室內(nèi)1000 lux LED光照下實現(xiàn)了25.4%的PCE，證實了吡咯環(huán)在提升OPV電池性能方面的潛力。

吡咯環(huán)的引入為降低OPV電池的能量損失和拓展其在光電領域的應用提供了可能性，未來有望在室內(nèi)光伏等領域發(fā)揮作用。

文獻參考自Advanced Energy Materials 29 Mar_Doi:10.1002/aenm.202303605

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