【重點摘要】
香港理工大學(xué)Gang Li與美國UCLA 楊陽團(tuán)隊發(fā)展了一種非單調(diào)中間態(tài)操控策略來同時優(yōu)化非富勒烯有機太陽能電池的晶化動力學(xué)和能量損失。
這種策略通過使用1,3,5-三氯苯作為晶化調(diào)節(jié)劑，可以誘導(dǎo)活性層的形態(tài)學(xué)首先增強后再緩和的非單調(diào)中間態(tài)過渡。
在PM6:BTP-eC9 有機太陽能電池中，該策略實現(xiàn)了19.31%的效率；在PM1:BTP-eC9有機太陽能電池中，非輻射重組合能量損失降低至0.168eV（19.10%效率），為未來有機太陽能電池研究提供了巨大的潛力。
【研究背景】
非富勒烯受體有機太陽能電池代表了該領(lǐng)域的前沿，得益于材料和形態(tài)學(xué)調(diào)控的創(chuàng)新。非輻射重組損失的抑制和性能提升是有機太陽能電池研究的核心。過去常規(guī)的溶劑添加劑如1,8-二碘辛烷雖可提高非富勒烯受體的結(jié)晶性，但也會導(dǎo)致受體過度聚集，增加非輻射重組損失。開發(fā)新的形態(tài)調(diào)控技術(shù)同時優(yōu)化D:A的自組裝和降低非輻射重組已成為當(dāng)務(wù)之急。本文利用1,3,5-三氯苯作為晶化調(diào)節(jié)劑，通過調(diào)控薄膜形成過程實現(xiàn)先聚集后緩解的非單調(diào)中間態(tài)轉(zhuǎn)變，以同時實現(xiàn)有機太陽能電池的效率提升和非輻射重組損失的降低。
【研究成果】
本文研究團(tuán)隊開發(fā)了一種非單調(diào)中間態(tài)操控策略，通過在PM6:BTP-eC9富勒烯太陽能電池中應(yīng)用該策略，實現(xiàn)了19.31%的效率(18.93%認(rèn)證)，創(chuàng)下了二元有機太陽能電池的最高紀(jì)錄。同時，PM6:BTP-eC9系統(tǒng)的非輻射重組合能量損失很低，只有0.190 eV。在PM1:BTP-eC9有機太陽能電池中，進(jìn)一步實現(xiàn)了19.10%的效率和0.168 eV的非輻射重組合損失。此外，該策略展示了良好的通用性，在多個有機太陽能電池系統(tǒng)中都取得了優(yōu)于常規(guī)1,8-二碘辛烷處理的效果。該策略不僅提高了效率，也改善了光穩(wěn)定性。本研究為降低有機太陽能電池的非輻射重組損失、釋放新興非富勒烯材料的潛力提供了新途徑。
【研究方法】
利用差示掃描量熱法、熱重分析、原位GIWAXS等手段研究了三氯苯與活性材料的交互作用。
測試了三氯苯處理對有機太陽能電池性能的影響。
利用空間電荷限制電流法、暫態(tài)光壓法等手段研究了三氯苯處理后的電荷傳輸和重組動力學(xué)。
通過原位UV-Vis反射光譜和GIWAXS等手段研究了三氯苯誘導(dǎo)的非單調(diào)中間態(tài)轉(zhuǎn)變。
計算并分析了三氯苯處理前后的有機太陽能電池各項損失。
在多個有機太陽能電池系統(tǒng)中驗證了該方法的通用性。
測試了三氯苯處理對有機太陽能電池光穩(wěn)定性的影響
【結(jié)論】
研究中使用了一種新策略，使用1,3,5-三氯苯來優(yōu)化有機太陽能電池。這策略改善了薄膜結(jié)晶過程，控制了分子聚集，成功提高了有機太陽能電池的效率，也減少了非輻射復(fù)合損失，為未來的研究提供了潛力。
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