全球能源危機不斷加重，如何利用和開發(fā)新能源從而實現(xiàn)低碳減排，已經(jīng)成為全人類共同關注并努力探討的重大問題之一。太陽能電池作為一種利用太陽能直接轉化為電能的裝置，是目前最重要的新能源技術之一。相比較于傳統(tǒng)的硅基太陽能電池，新型的有機太陽能電池憑借其溶液可加工性、質輕價廉、柔性可折疊等強大優(yōu)勢，得到了學術和工業(yè)界的青睞。最近，中國科學院大學材料科學與光電技術學院黃輝教授與張昕副教授領導的研究小組通過非共價“構象鎖”理性設計高效固態(tài)添加劑、逐層旋涂技術調控垂直組分分布以及三元給體合金調控電荷轉移態(tài)等策略數(shù)次創(chuàng)造并打破有機太陽能器件的最高效率，取得以下系列重要進展。
1. JACS：非共價“構象鎖”助力平面型固體添加劑的設計
在本工作中，研究人員以固體添加劑分子的構象調控作為研究的切入點，分別設計合成了扭曲型固體添加劑SAD1，以及平面型固體添加劑SAD2（引入S···O非共價“構象鎖”）。通過系統(tǒng)深入的對比研究，該團隊揭示了該類固體添加劑的工作機理，并發(fā)現(xiàn)固體添加劑分子的構象對調控活性層形貌以及提高光伏器件性能起著至關重要的影響。最后，通過平面型固體添加劑SAD2處理的有機太陽能器件獲得了18.85%的光電轉化效率（中國計量科學研究院的認證效率為18.7%），創(chuàng)造了當時單結二元有機太陽能電池的最高記錄值。該研究不僅初步闡明了固體添加劑的工作原理，同時也進一步展示了非共價“構象鎖”策略在分子設計方面的應用潛力。
原文鏈接： Li, C.; Gu, X.; Chen, Z.; Han, X.; Yu, N.; Wei, Y.; Gao, J.; Chen, H.; Zhang, M.; Wang, A.; Zhang, J.; Wei, Z.; Peng, Q.; Tang, Z.; Hao, X.; Zhang, X.; Huang, H. Achieving Record-Efficiency Organic Solar Cells upon Tuning the Conformation of Solid Additives. J. Am. Chem. Soc. 2022, 144 (32), 14731-14739.（該論文被選為Supplementary Cover）
https://doi.org/10.1021/jacs.2c05303
2. AM：調控垂直組分分布，二元有機太陽能電池效率突破19%
該研究團隊利用兩步的逐層旋涂技術構建了基于D18和L8-BO的二元光伏器件。通過調控兩步旋涂的轉速，精細的優(yōu)化了光活性層在垂直方向的組分，獲得了19.05%的能量轉化效率。值得一提的是，這種逐層旋涂技術制備的器件性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)共混旋涂制備的器件（18.14%）。機理研究表明，這種逐層旋涂技術有效地調節(jié)了活性層的垂直組分分布，使其具有更高的結晶度、有效的激子解離、較低的能量損失和平衡的電荷傳輸。研究者進一步將此方法拓展到多個給/受體材料體系，展示出了良好的普適性，充分展示了這一簡單的逐層旋涂技術在調控垂直組分分布，提高有機太陽能電池器件性能方面的巨大潛力。
原文鏈接：Wei, Y.; Chen, Z.; Lu, G.; Yu, N.; Li, C.; Gao, J.; Gu, X.; Hao, X.; Lu, G.; Tang, Z.; Zhang, J.; Wei, Z.; Zhang, X.; Huang, H. Binary Organic Solar Cells Breaking 19% via Manipulating the Vertical Component Distribution. Adv. Mater. 2022, 34 (33), 2204718.
https://doi.org/10.1002/adma.202204718
3. AS：三元給體合金策略調控電荷轉移態(tài)，獲得高開壓和超過19.2%的光電轉化效率
研究人員選擇化學結構相似的PM6和D18-Cl作為給體、L8-BO作為受體制備了三元光伏器件。由于PM6和D18-Cl具有較好的混溶性，兩者在三元活性層中傾向于形成給體合金。該推測通過接觸角測試、差示掃描量熱法和循環(huán)伏安法等測試表征中得到了進一步驗證。該給體合金的形成則有利于在較寬的PM6:D18-Cl重量比例范圍內(nèi)調控合金給體的能級，進而可連續(xù)調節(jié)活性層中的CT態(tài)。一方面，三元器件中CT態(tài)能量（ECT）的提升可以降低光生電荷產(chǎn)生過程中所需激子解離驅動力引起的能量損失（ΔECT = Eg ? ECT）。另一方面，器件中降低的ΔECT還能促進LE態(tài)和CT態(tài)的雜化，進而提高CT態(tài)發(fā)光并降低非輻射能量損失（ΔEnon–rad）。最終，三元器件能量損失得到明顯降低，獲得了高達0.91 V的開路電壓。這是目前已報道的光電轉化效率超過19%的單結器件最高開壓值。這一最新成果表明通過三元給體合金策略調控給受體界面形成的CT態(tài)是降低器件能量損失、提高器件性能的有效方法。
原文鏈接：Gao, J.; Yu, N.; Chen, Z.; Wei, Y.; Li, C.; Liu, T.; Gu, X.; Zhang, J.; Wei, Z.; Tang, Z.; Hao, X.; Zhang, F.; Zhang, X.; Huang, H. Over 19.2% Efficiency of Organic Solar Cells Enabled by Precisely Tuning the Charge Transfer State Via Donor Alloy Strategy. Adv. Sci. DOI: 10.1002/advs.202203606.
https://doi.org/10.1002/advs.202203606
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