香港理工大学，常州大学Nano Energy：高效齐聚太阳能电池-揭示分子尺寸、末端基团功能和聚集动力学的相互作用- 大数跨境

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香港理工大学，常州大学Nano Energy：高效齐聚太阳能电池-揭示分子尺寸、末端基团功能和聚集动力学的相互作用

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2024-12-12

导读：香港理工大学李刚教授、马睿杰博士，常州大学朱卫国教授Nano Energy文章：高效齐聚太阳能电池-揭示分子尺寸、末端基团功能和聚集动力学的相互作用

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文章信息

高效齐聚太阳能电池-揭示分子尺寸、末端基团功能和聚集动力学的相互作用

第一作者：夏浩

通讯作者：马睿杰*，朱卫国*，李刚*

第一单位：香港理工大学

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研究背景

有机太阳能电池（OSCs）被认为是最有前途的光伏（PV）技术之一，因为它具有成本低、重量轻、柔韧、半透明和均匀的辐射强度。OSCs的活性层通常由一个有机电子给体和一个有机电子受体组成。为了实现高效的电荷产生和传输，从而获得优异的光伏性能，活性层材料必须满足吸收光谱互补、能级匹配和共混膜能形成最优的相分离形貌等要求。具体来说，供体和受体之间需要纳米级的相分离和双连续互穿网络，以提供足够的界面面积进行激子解离，并实现高效的空穴和电子传输。因此，活性层的形貌调控对于提高OSCs的光伏性能至关重要。

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文章简介

近日，香港理工大学李刚教授和常州大学朱卫国教授团队合作，在国际知名期刊Nano Energy上发表了题为“High-efficiency oligomeric solar cells - revealing the interplay of molecular dimensions, terminal group functions, and aggregation dynamics ”的文章。该工作报道了一系列基于相同D-A单元的不同构型小分子和齐聚物，3BDTBDD (D-A-D型)、5BDTBDD（D-A-D-A-D型）、DRCN3BDT（A1-D-A-D-A1型）和DRCN5BDT新（A1-D-A-D-A-D-A1型），详细研究了他们的分子结构与性能之间的关系。分别将它们与Y6受体共混，制备了二元器件，探索它们光伏性能的差异。深入研究了溶剂蒸汽退火（SVA）时间对活性层材料的聚集行为的影响，揭示了SVA处理时间与活性层分子聚集状态之间的关系，推动了OSCs形貌调控的研究进展。此外，基于齐聚物供体DRCN5BDT:Y6的器件取得了高达14.04%的能量转换效率（PCE），成为目前最高效的二元齐聚物OSCs之一。

图1. 3BDTBDD、5BDTBDD和DRCN5BDT的分子结构式；SVA处理时间与活性层分子聚集状态的模拟示意图；活性层的RMS值在TA和SVA处理条件下的变化，以及基于3BDTBDD、5BDTBDD和DRCN5BDT的最优器件的J-V曲线。

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本文要点

1.成功设计并合成了具有A1-D-A-D-A1构型的小分子供体材料DRCN3BDT和A1-D-A-D-A-D-A1构型齐聚物供体材料DRCN5BDT。基于DRCN5BDT:Y6的二元OSCs表现出优异的光伏性能，取得了14.04%的PCE，成为目前最高效的齐聚物二元OSCs之一，推动了相关领域的研究进展。

2. 破解SVA过程的奥秘创新性地揭示了SVA处理时间与活性层分子聚集状态之间的关系。通过原位紫外光谱分析，我们直观展现了分子聚集行为的动态演变，确定活性层最佳的SVA处理时间，为器件优化提供了宝贵的科学依据。这一研究为未来的高效器件设计与制备开辟了新路径。

3. 分子结构与光学和电化学性能之间关系的深刻理解

研究发现延长分子的共轭主链能够显著降低带隙，增强分子的消光系数和载流子迁移率，抬升分子的HOMO能级。而且吸电子端基能够显著提高分子间的作用力，增强分子的聚集能力。这些规律性的总结为材料设计提供了重要参考，同时也为优化活性层形貌和相分离提供了理论支持。

4. 优异的相容性助力高效三元体系研发的低聚物DRCN5BDT在三元有机太阳能电池体系中表现出卓越的性能，展现了与不同类型材料的优异相容性。不论是聚合物供体/小分子受体体系，还是全聚合物体系，DRCN5BDT均能有效优化器件的性能，充分体现了其在材料设计中的潜力。

这些成果不仅为高效有机太阳能电池的研发提供了新材料和新策略，还深化了对关键后处理工艺和材料属性的理解，为实现更高效率的有机光伏器件奠定了坚实基础。

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文章链接

High-efficiency oligomeric solar cells - revealing the interplay of molecular dimensions, terminal group functions, and aggregation dynamics

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285524013016

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第一作者简介

夏浩，现于香港理工大学李刚教授课题组从事博士后研究。主要研究方向为有机太阳能电池材料的设计合成及器件制备，特别是在齐聚物太阳能电池方面的研究获得多项创新成果。目前在国际权威期刊发表SCI学术论文20余篇，其中以第一作者在Advanced Materials，Energy & Environmental Science, Advanced Functional Materials等期刊发表论文8篇，通讯作者1篇。

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通讯作者简介

马睿杰，香港理工大学卓越博士后研究员。2014-2018年于浙江大学取得物理学学士学位（导师：袁辉球教授、刘洋教授），2018-2022年在香港科技大学攻读化学博士学位（导师：颜河教授）。2022年8月加入香港理工大学电机与电子工程系李刚教授团队。主要从事第三代太阳能光伏器件的前沿科研。2018年入选香港政府研究生奖学金计划（HKPFS）。作为第一或通讯作者参与发表期刊论文60余篇，包括：Joule (2篇)，Nat. Commun（2篇），Adv. Mater (6 篇)，Energy. Environ. Sci (4篇)，Angew. Chem. Int. Ed. （3篇），Adv. Energy Mater (8篇)。总引用次数超过7000次，H-因子 47。2022、2023年连续入选科睿唯安数据库交叉领域“全球高被引科学家”。2023年入选全球前2%科学家。担任高起点国产期刊正式青年编委，香港理工大学主办国际期刊首届青年编委。荣获2023年新锐科学家。

朱卫国，1986年本科毕业于湘潭大学化学专业，2000年获四川大学有机化学博士学位，2002年在华南理工大学完成博士后研究。2002年评聘为教授，2016年作为领军人才引进到常州大学，曾任化学学院院长、材料科学与工程学院院长。现为国务院特殊津贴专家、江苏省双创人才。主要从事有机光电材料与器件应用研究。主持国家自然科学基金项目9项(重点1项)；署名第一或通讯作者在Nat. Photonics, Adv. Mater., J. Am. Chem. Soc.等国际重要刊物上发表SCI论文150余篇；获省自然科学二等奖2项、中石化联合会科技进步三等奖、授权发明专利25件、省教学成果二等奖1项、江苏省十佳导师团队提名奖，均排名第一。培养的研究生获省优秀博士/硕士论文、欧盟居里奖学金、国家留学基金、宝钢优秀研究生奖等荣誉。

李刚，香港理工大学电机与电子工程学系讲席教授，鍾士元爵士可再生能源冠名教授。研究聚焦于可印刷太阳能电池（有机聚合物太阳能电池，钙钛矿太阳能电池）及相关领域。本科毕业于武汉大学空间物理学系，爱荷华州立大学凝聚态物理博士及电机工程硕士。2016年来港前为加州大学洛杉矶分校UCLA研究教授。李刚教授发表科技期刊论文200余篇，被引80000余次，H-因子93（谷歌学术）。他是美国光学学会会士（Optica Fellow）英国皇家化学会会士（RSC Fellow），国际光电工程学会会士（SPIE Fellow）香港研究资助局高级研究学者 (RGC SRFS)。自2014年至今为汤森路透/科睿唯安全球高被引科学家（材料科学，化学，物理, 交叉领域）。