南開(kāi)陳永勝AFM：二元OSCs效率創(chuàng)紀(jì)錄20.2%！平衡端基/中心單元Packing強(qiáng)度

主要內(nèi)容

南開(kāi)大學(xué)陳永勝教授、闞斌教授和姚朝陽(yáng)教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)，針對(duì)有機(jī)太陽(yáng)能電池（OSCs）中光動(dòng)力過(guò)程對(duì)分子間堆積方式的強(qiáng)依賴(lài)性，開(kāi)展了基于分子工程策略的系統(tǒng)性研究。

研究團(tuán)隊(duì)以二維擴(kuò)展型小分子受體（SMA）平臺(tái)為基礎(chǔ)，通過(guò)協(xié)同調(diào)控端基（IC/NC-2F）與中心單元的堆積面積與強(qiáng)度，設(shè)計(jì)合成了一種新型不對(duì)稱(chēng)受體CHFN。

該分子展現(xiàn)出三重結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)：

（1）相較于含雙小尺寸IC端基的對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)CH6F，引入大尺寸NC-2F端基使CHFN的共軛骨架更延展且剛性，吸收光譜紅移達(dá)35 nm；

（2）雙端基（IC+NC-2F）的協(xié)同作用優(yōu)化了堆積強(qiáng)度平衡，使結(jié)晶度從CH6F的62%提升至78%；

（3）纖維狀網(wǎng)絡(luò)形貌的優(yōu)化（纖維直徑從15±3 nm降至10±2 nm）顯著促進(jìn)了激子解離（效率達(dá)98%）與電荷傳輸（遷移率提升2.3倍）。

基于此分子設(shè)計(jì)，PM6:CHFN基二元OSCs器件實(shí)現(xiàn)20.23%的認(rèn)證效率（第三方測(cè)試），其開(kāi)路電壓（Voc=0.91 V）、短路電流密度（JSC=26.8 mA/cm2）及填充因子（FF=82.1%）較對(duì)照器件（PM6:CH6F: 18.74%; PM6:CH17: 19.00%）均獲顯著提升，創(chuàng)下二元不對(duì)稱(chēng)受體OSCs效率世界紀(jì)錄。

值得注意的是，該器件在1.0 cm2活性面積下仍保持18.09%的效率（認(rèn)證值），展現(xiàn)出優(yōu)異的規(guī)模化應(yīng)用潛力。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)原位GIWAXS與TRPL聯(lián)合表征，揭示了端基/中心單元堆積平衡對(duì)薄膜形貌與電荷動(dòng)力學(xué)的調(diào)控機(jī)制，為高性能SMA體系的分子設(shè)計(jì)提供了"堆積面積-強(qiáng)度-性能"三參數(shù)協(xié)同優(yōu)化的新范式。

文獻(xiàn)信息

Balancing Packing Strength of End/Central Units Enables Binary Organic Solar Cells to Achieve 20.2% Efficiency

Peiran Wang, Xiangjian Cao, Wenkai Zhao, Yu Zhang, Zheng Xu, Zhe Zhang, Guanghui Li, Guankui Long, Xiangjian Wan, Chenxi Li, Zhaoyang Yao, Bin Kan, Yongsheng Chen

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202518113

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