【科研速递】材化学院尹守春教授团队围绕有机光伏材料设计与器件工程优化发表多篇高影响力论文

发布时间: 2024-10-23 11:35:55 浏览次数 : 408 来源:杭州师范大学

近日，我校材料与化学化工学院尹守春教授团队与浙江大学陈红征教授及北京航天航空大学孙艳明教授合作，围绕高效有机光伏材料设计和智能器件工程优化等关键问题，在Energy & Environmental Science （IF: 32.4）、Angewandte Chemie International Edition（IF: 16.1）、Advanced Science（IF: 14.3）和Aggregate（IF: 13.9）等高影响力的国际期刊上发表4篇研究论文。

在Energy & Environmental Science上发表的题为“A three-dimensional solid additive suppresses non-radiative recombination loss to boost efficiency and scalability in organic photovoltaics”论文中，研究团队阐释了发现通过设计新型固体添加剂，可以优化聚合物给体的结晶性和小分子受体的相连续性，降低缺陷和电荷复合，从而提高光伏效率和长期工作稳定性。团队结合三苯胺衍生物和非富勒烯受体末端单元，合成了固体添加剂T1~T5，探究它们与PM6:Y6体系的相容性和作用效果。T5作为固体添加剂，在PM6:Y6体系中表现出色。实验结果验证T5能够显著改善活性层分子的堆积和取向，提高聚合物分子的有序性；T5有助于聚合物给体的预聚集，实现更有序的堆积，加快激子解离，抑制电荷复合，提升电荷迁移率；在T5的优化下，体系能够实现更高的电致发光效率和更低的非辐射复合损失。因此，T5优化的PM6与Y6制备的器件展现了高达18.89%的效率，且具有良好的稳定性。T5在其他二元体系中也表现出普适性（PM6/L8-BO及PM6/BTP-eC9的二元体系都实现19.6%的效率），证明了其在提高有机光伏效率和稳定性方面的潜力。此外，T5优化的大面积模组（18 cm²）可以实现高达16.3%的模组效率，为产业化提供了理论指导。

题为“Isomeric Dimer Acceptors for Stable Organic Solar Cells with over 19% Efficiency”的论文在Angewandte Chemie International Edition上发表，阐述了异构化分子设计策略的优异性。该工作通过改变端基位置，设计合成两个二聚体受体异构体，分别命名为D-TPh和D-TN，通过与PM6给体搭配构筑的光伏器件，研究人员探究了异构化对二聚体受体材料光电性能的影响。发现与D-TN相比，D-TPh具有增强的主链平面度、提高的最低未占据分子轨道能级和更有序的分子堆叠。因此，基于PM6:D-TPh的器件实现了19.05%的功率转换效率（PCE），而对应D-TN的器件效率仅为 18.42%。此外，面积为1 cm²的PM6:D-TPh器件效率为18.0%，为已报道器件中属于较高水平。PM6:D-TPh器件的外推T80寿命超过2800小时，表现出优异的器件工作稳定性。这些结果表明，同分异构策略是优化二聚体受体分子构型以制备高效稳定的有机太阳能电池的有效方法。

在Advance Science上发表的题为“The Multi-Functional Third Acceptor Realizes the Synergistic Improvement in Photovoltaic Parameters and the High-Ratio Tolerance of Ternary Organic Photovoltaics”的论文，阐述了基于Y6骨架设计合成的三种不对称非富勒烯受体分子(BTP-SA1, BTP-SA2 和BTP-SA3）的优异光伏性能。将新小分子作为第三组分添加到主二元体系D18:Y6中，探究分子结构（不对称分子末端、侧链工程以及卤化）与三元体系光伏性能参数之间的关系。发现双氟茚酮末端的不对称受体BTP-SA3，可以实现高开路电压，调节分子结晶性和相容性，从而实现高兼容性，最终在三元体系中实现VOC（0.862 V），JSC（27.52 mA cm-2）和FF（81.01%）的协同提升，以及高效光伏性能（PCE为19.19%）。采用相同溶剂的逐步沉积法制备器件，D18/Y6:BTP-SA3的器件实现了高达19.36%的效率突破，是基于D18:Y6体系最高效率之一。此外，BTP-SA3的添加量从10%到50%，器件的光伏性能都能保持较高水平，实现了第三组分高容忍性。该工作为多元体系实现OPVs三个性能参数的协同提升，以及组分高容忍性的额外功能性组分分子设计提供了全面的指导。

在Aggregate上发表的论文题为“Impact of alloy-like phase on energy loss mitigation in multi-component organic photovoltaics”，探究了合金相程度如何影响多元有机光伏的能级分布和能量损失机制。发现合适的给体合金相模式，既可以保持原给体的强分子间堆积，又可增加多元体系给受体之间的相容性，降低受体的聚集性，提高受体的相纯度，从而实现体系非辐射复合损失；此外，合适的合金相模式可以实现多元体系CT态的提升，以及CT-LE态之间差距的降低，实现多元体系重组能的降低和带隙以下辐射复合损失的缓解；最终在优化的激子和载流子行为协同下，实现基于Y6受体的三元器件可以实现高达19.4%的光电转换效率。该工作为多元体系的相分布和能量损失解析提供了新的思路。

这些研究成果不仅展示了有机光伏技术在分子设计、器件构筑和产业化方面的创新突破，也为未来的能源解决方案提供了新的方向。以上四篇论文的第一作者分别是材化学院硕士研究生李中杰、刘宇豪、孔祥月，及青年教师李云博士，通讯作者为占玲玲副教授和尹守春教授。杭州师范大学是论文的第一通讯单位。该研究受到了国家自然科学基金和浙江省自然科学基金的支持。