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科學(xué)家發(fā)展出兼具高效率、低成本、高穩(wěn)定的n-型光伏材料

   2022-05-05 5800
核心提示:近年來,得益于非富勒烯受體的發(fā)展,有機(jī)太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率取得重大突破。然而,同時兼具高穩(wěn)定性、低成本和高效率的有機(jī)光伏材料與器件仍具挑戰(zhàn),成為其商業(yè)化應(yīng)用的制約瓶頸。在國家自然科學(xué)基金委、科技部和中國科學(xué)院的支持下,中科院化學(xué)研究所有

近年來,得益于非富勒烯受體的發(fā)展,有機(jī)太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率取得重大突破。然而,同時兼具高穩(wěn)定性、低成本和高效率的有機(jī)光伏材料與器件仍具挑戰(zhàn),成為其商業(yè)化應(yīng)用的制約瓶頸。

在國家自然科學(xué)基金委、科技部和中國科學(xué)院的支持下,中科院化學(xué)研究所有機(jī)固體院重點(diǎn)實驗室研究員朱曉張課題組在n-型光伏材料與器件研究方面開展深入研究,發(fā)展了系列高性能光伏受體材料,并構(gòu)筑了系列高性能光伏器件。 
基于在n-型光伏材料的設(shè)計、合成及器件應(yīng)用方面的積累,受到高遷移率稠環(huán)有機(jī)半導(dǎo)體成功設(shè)計的啟發(fā),該課題組在2021年提出了“全稠環(huán)電子受體(AFAR)”的設(shè)計概念,發(fā)展了高穩(wěn)定性的光伏受體材料,其表現(xiàn)出更低的分子重組能和優(yōu)異的化學(xué)、光化學(xué)及熱穩(wěn)定性,實現(xiàn)了接近10%的效率,相關(guān)成果發(fā)表在CCS Chem.(2021, 3, 1070–1080)上。  
最近,他們通過引入基于苯并噻二唑的核心骨架,發(fā)展了新的全稠環(huán)電子受體材料(F-受體),實現(xiàn)了近紅外響應(yīng)性。為了解決非富勒烯受體的宏量制備問題,研究人員利用高效分子內(nèi)雙C-H活化/環(huán)化方法開發(fā)了一套完整的合成路線,實現(xiàn)了一天內(nèi)10克級材料的宏量制備。與目前報道的非富勒烯受體相比,其表現(xiàn)出更低的合成成本(與P3HT的成本相當(dāng))。研究表明,F(xiàn)-受體具有比主流3-(二氰基亞甲基)靛酮(ICNC)類受體更加優(yōu)異的薄膜穩(wěn)定性。單晶X射線結(jié)構(gòu)分析表明,F(xiàn)-受體具有三維蜂窩型堆積結(jié)構(gòu),有利于電荷傳輸?;谌憝h(huán)電子受體的器件獲得了13%的光電轉(zhuǎn)化效率,是非INCN類受體材料的效率最高值。此外,空氣中加工基于F-受體的器件展示出優(yōu)良的光穩(wěn)定性,表現(xiàn)出極小的“burn-in”損失。
該工作為協(xié)同解決有機(jī)太陽能電池中的成本、效率和穩(wěn)定性難題提供了范例,相關(guān)成果發(fā)表在CCS. Chem.(2022, DOI: 10.31635/ccschem.022.202201963)上。


 
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