山大張茂杰AFM：雙功能噻吩衍生物順序結(jié)晶工程，將OSCs效率提升至20.5%

主要內(nèi)容

在體相異質(zhì)結(jié)有機(jī)太陽(yáng)能電池（BHJ - OSCs）領(lǐng)域，精準(zhǔn)控制成膜動(dòng)力學(xué)是優(yōu)化活性層形貌、提升器件效率的核心要素。給體和受體材料在成膜過程中存在復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)耦合特性，這使得它們難以實(shí)現(xiàn)有序且分步的結(jié)晶，進(jìn)而限制了電池性能的進(jìn)一步提升。在此關(guān)鍵背景下，山東大學(xué)國(guó)家膠體材料工程技術(shù)研究中心的張茂杰教授、國(guó)霞教授帶領(lǐng)其團(tuán)隊(duì)，聚焦這一難題開展深入研究，成功設(shè)計(jì)并合成了一種新型噻吩衍生物——1,2 - 二([2,3′-聯(lián)噻吩]-2′-基)乙炔（DBTE），旨在通過精準(zhǔn)調(diào)控成膜過程中的結(jié)晶動(dòng)力學(xué)，突破現(xiàn)有性能瓶頸。

團(tuán)隊(duì)運(yùn)用原位光譜分析技術(shù)深入探究DBTE的作用機(jī)制，發(fā)現(xiàn)其具有獨(dú)特的雙重功效。一方面，DBTE可作為成核劑，有效降低給體材料結(jié)晶的能壘，積極促進(jìn)給體聚集體形成；另一方面，它能充當(dāng)增塑劑，增加受體材料的鏈段運(yùn)動(dòng)能力，從而有效延緩受體聚集體形成。這一雙重作用成功打破了PM6:Y6共混物中原本的共結(jié)晶狀態(tài)，使給體（PM6）能夠優(yōu)先實(shí)現(xiàn)有序排列，形成高度有序的結(jié)晶區(qū)域；而受體（Y6）的生長(zhǎng)則受到明顯抑制，其結(jié)晶過程被有效調(diào)控。這種基于動(dòng)力學(xué)解耦的精細(xì)調(diào)控機(jī)制，顯著改善了給體相中的分子有序堆積狀態(tài)，分子排列更加緊密且規(guī)則，同時(shí)形成了有利于電荷定向傳輸?shù)拇怪苯M分梯度。得益于這些積極變化，激子解離和電荷傳輸過程得到極大促進(jìn)，光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）從17.6%大幅提升至18.9%。

值得注意的是，該策略在D18:L8 - BO體系中也得到了有力驗(yàn)證。團(tuán)隊(duì)通過系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和優(yōu)化，成功獲得了高達(dá)20.5%（認(rèn)證值為20.2%）的優(yōu)異光電轉(zhuǎn)換效率，充分彰顯了該策略在不同材料體系中的普適性和有效性，為高性能有機(jī)太陽(yáng)能電池的研發(fā)提供了新的通用策略。

進(jìn)一步研究表明，本研究引入的具有強(qiáng)自聚集性和高結(jié)晶性的噻吩衍生物DBTE（該分子通過炔鍵巧妙連接聯(lián)噻吩單元）至非富勒烯基有機(jī)太陽(yáng)能電池（OSCs）中，對(duì)調(diào)控體相異質(zhì)結(jié)（BHJ）薄膜的結(jié)晶動(dòng)力學(xué)發(fā)揮了關(guān)鍵作用。掠入射X射線散射、單晶X射線衍射、理論計(jì)算及原位光譜分析等一系列**技術(shù)手段的結(jié)果均表明，DBTE作為一種雙功能調(diào)節(jié)劑，能夠高效促進(jìn)給體/受體分步結(jié)晶。它通過與給體和受體分子之間的特定相互作用，增強(qiáng)聚合物給體的分子堆積緊密程度，優(yōu)化相分離形貌，使給體相和受體相形成適宜的尺寸和分布，并構(gòu)建出有利于電荷傳輸?shù)拇怪苯M分梯度。這種**形貌轉(zhuǎn)變不僅進(jìn)一步促進(jìn)了激子擴(kuò)散、電荷產(chǎn)生與傳輸，還顯著減少了電荷復(fù)合現(xiàn)象，降低了能量損失。

因此，基于PM6:DBTE:Y6的有機(jī)太陽(yáng)能電池展現(xiàn)出了18.9%的**光電轉(zhuǎn)換效率（PCE），這一數(shù)值顯著高于未添加DBTE的器件（17.6%），主要得益于開路電壓（Voc）、短路電流密度（JSC）和填充因子（FF）的同步提升。同時(shí)，**PM6:DBTE:Y6器件的光穩(wěn)定性也得到了顯著增強(qiáng)，估算的T??壽命（即效率降至初始值80%所需時(shí)間）高達(dá)2600小時(shí)，充分證明了該策略在提升器件穩(wěn)定性方面的**效果。此外，該策略在D18:DBTE:L8 - BO器件中亦得到了成功驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了20.5%（認(rèn)證值為20.2%）的優(yōu)異光電轉(zhuǎn)換效率。

綜上所述，在張茂杰教授、國(guó)霞教授的帶領(lǐng)下，本研究提出的引入新型噻吩衍生物分子作為成核劑和增塑劑、精細(xì)調(diào)控薄膜形成動(dòng)力學(xué)的策略，為優(yōu)化高性能、高穩(wěn)定性有機(jī)太陽(yáng)能電池的BHJ形貌提供了創(chuàng)新性的解決方案。這一研究成果不僅在提升電池效率方面取得了顯著突破，還在穩(wěn)定性提升和策略普適性方面展現(xiàn)出巨大優(yōu)勢(shì)，有望推動(dòng)有機(jī)太陽(yáng)能電池技術(shù)向?qū)嵱没~進(jìn)。

文獻(xiàn)信息

Sequential Crystallization Engineering via a Dual-Functional Thiophene Derivative Boosts Organic Solar Cell Efficiency to 20.5%

Yumiao Huo, Bo Cheng, Lixuan Kan, Xia Guo, Xinxin Xia, Chenyu Han, Shuxuan Ning, Wenwen Hou, Feng Liu, Maojie Zhang

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202514342

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