有機光伏電池（OPVs）以其輕薄、柔性、可印刷等優勢，在過去幾年中吸引了廣泛的關注，被認為是下一代光伏技術的理想選擇。然而，OPVs 的效率和穩定性仍然落后于傳統硅太陽能電池。非稠合受體材料因其結構簡單、成本低廉，備受研究人員關注，但基于非稠合受體材料的器件效率一直難以突破。
中國科學院化學研究所侯建輝教授團隊近期取得重大突破，通過巧妙設計合成新型非稠合受體材料，成功將基于全非稠合受體材料的器件效率提升至 16.1%，創下了該領域的新紀錄。這一研究成果發表在國際頂尖期刊《Journal of the American Chemical Society》上。
非稠合受體材料：挑戰與機遇
非稠合受體材料，如噻吩-苯-噻吩 (TBT) 結構，因其結構簡單及多樣性、易于合成加工，具有成本優勢，另外，可調控光電性質其能級、帶隙和電荷遷移率，以滿足不同應用需求，因此在有機光伏領域備受關注。然而，由于其分子結構的限制，基于非稠合受體材料的器件效率普遍較低。
l 分子堆積： 非稠合受體材料的分子間作用力較弱，容易形成無序的分子堆積，阻礙電荷傳輸，降低器件效率。
l 能量損失： 非稠合受體材料的電致發光效率較低，導致更多的能量以非輻射形式損失，降低器件的開路電壓 (VOC) 和能量轉換效率。
l 穩定性表現較差: 易受到氧氣和濕氣的影響，導致性能衰減。
l 缺乏系統研究：目前對非稠合受體材料的研究相對較少，缺乏系統的設計和優化策略，阻礙了其全面發展。
團隊的創新策略
針對非稠合受體材料的缺陷，提出了巧妙的分子設計策略，有效地提升了器件的效率。研究人員設計合成了三種 TBT 基受體材料：TBT-10、TBT-11 和 TBT-13。
l 側鏈工程： 通過在 TBT 單元上引入不同位置的支鏈，研究人員發現，僅在 α 位引入具有較大空間位阻的支鏈的 TBT-13，展現出更平坦、更穩定的構型。
l 優化分子堆積： TBT-13 與供體材料 PBQx-TF 混合後，能夠形成更有利的 π-π 堆積和聚集特性，有效提升了器件的電荷傳輸性能。降低陷阱密度： 高結晶性的 α-FAPbI3 薄膜具有更低的陷阱密度，有利于電荷傳輸，減少電荷重組，提高器件的效率。
突破性的成果
l 基于 TBT-13 的 OPV 器件的能量轉換效率達到 16.1%，突破了基于全非稠合受體材料的器件效率紀錄。
l 該研究為設計合成高性能、低成本的有機光伏材料提供了新的思路，為推動有機光伏技術的進一步發展提供了重要參考。
未來展望
未來，研究人員將繼續探索如何設計合成具有更高電致發光效率和更寬光譜響應的非稠合受體材料，并結合先進的表征手段和模擬計算，進一步提升有機光伏電池的效率和穩定性。
材料優化的可能性
l 分子結構設計： 可以進一步探索不同結構的非稠合受體，例如，通過引入其他共軛單元，調節分子能級和電子云分布，提高電致發光效率和光譜響應范圍。
l 側鏈修飾： 可以對側鏈進行修飾，例如，調整側鏈的長度和分支結構，以優化分子堆積和薄膜形貌，提高器件的穩定性和電荷傳輸性能。
l 材料合成工藝： 可以開發新的合成方法，以制備更純凈、更均一的非稠合受體材料，進一步提高器件的效率。
可能的應用領域
期許在未來發展非稠合受體材料的有機光伏電池上，因其結構簡單、成本低廉、可印刷等優勢，具有廣闊的應用前景，例如：
l 柔性太陽能電池： 可用于柔性顯示器、穿戴式電子設備等。
l 透明太陽能電池： 可用于建筑玻璃、汽車玻璃等，實現節能環保。
l 低成本太陽能電池： 可用于大規模應用，例如，用于分布式光伏發電系統。
Fig S11.該圖展示了兩種基于 TBT-13 的 OPV 器件的 J-V 曲線和 EQE 曲線。
重要性： 該圖展示了不同供體材料與 TBT-13 形成的 OPV 器件的性能，幫助比較不同供體材料對器件效率的影響。
Fig S12. 該圖展示了不同材料體系的歸一化電致發光 (EL) 光譜和 s-EQE 光譜以及相應的擬合曲線，以及 PTVT-BT: A4T-32 器件的 EQEEL 曲線。
重要性： 該圖幫助分析不同材料體系的電致發光效率，并比較不同器件的電致發光性能。
Fig S16.該圖展示了不同材料體系的 VOC 和 JSC 與光強度的關系。
重要性： 該圖幫助分析器件的電荷分離和傳輸效率，以及器件的性能與光強度的關系。
原文出處: Journal of the American Chemical Society
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