浙江大学陈红征课题组AM：高效低能损有机光伏电池- 大数跨境

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浙江大学陈红征课题组AM：高效低能损有机光伏电池

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2020-05-18

导读：本文提出了一种新的非富勒烯受体分子设计方法。两个NFA，BTP‐S1和BTP‐S2，是通过将卤化吲哚酮（A1）和3-二氰基甲基吲哚酮（A2）作为两个不同的共轭末端引入到中心熔合核（D）上而构建的。

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高效低能损有机光伏电池的非对称电子受体

浙江大学

导读

低能量损耗(PCE)和小驱动力(OPVs)下的有效电荷分离是实现有机光伏高功率转换效率的前提。

为了同时解决这两个问题，浙江大学陈红征教授、Fengling Zhang和施敏敏等人在国际知名期刊Advanced Materials上发表了题为“Asymmetric Electron Acceptors for High‐Efficiency and Low‐Energy‐Loss Organic Photovoltaics”的论文, Shuixing Li是本文的第一作者。

本文提出了一种新的非富勒烯受体分子设计方法。两个NFA，BTP‐S1和BTP‐S2，是通过将卤化吲哚酮（A1）和3-二氰基甲基吲哚酮（A2）作为两个不同的共轭末端引入到中心熔合核（D）上而构建的。这种具有A1-D-A2结构的不对称NFAs在与聚合物供体PM6混合时表现出优越的光伏特性。能量损失分析表明，末端连接六个氯原子的不对称分子BTP-S2使相应的器件具有2.3×10^-2%的优异电致发光量子效率，比基于对称Y6（4.4×10^-3%）的器件高一个数量级，从而显著降低了相应器件的非辐射损耗和能量损耗。

此外，末端带有多个卤素原子的不对称BTP-S1和BTP-S2向供体PM6呈现出快速空穴转移的行为。因此，基于PM6:BTP-S2混合物的OPVs实现了16.37%的PCE，高于基于PM6:Y6的OPVs（15.79%）。进一步优化三元共混物（PM6:Y6:BTP‐S2）的PCE为17.43%，这是单结OPVs的最高效率之一。这一工作为通过改善分子设计同时为降低光电倍增管的能量损失和促进光电倍增管的电荷分离提供了有效途径。

关键词

非对称受体, 电荷分离, 分子设计, 非富勒烯受体, 有机光伏

背景简介

1.探究高效低能损有机光伏电子受体的进展

具有体异质结（BHJ）活性层的有机光伏电池最近在效率方面取得了很大的进展，主要得益于p型供体和n型受体的材料创新。特别是对于具有受体-供体-受体（A-D-A）结构的非富勒烯受主（NFAs），富电子核（D）的演化，已经创造了许多具有从可见光到近红外范围和能级的可调谐吸收的高性能材料。

Zou的小组提出的基于BTP的NFA，如Y6及其衍生物，具有主导面取向、高迁移率和器件中具有高电致发光量子效率（EQEEL）的低能量损耗，从而使转化效率超过17%的成为可能。与富勒烯基受体相比, 高效的NFA在较小的驱动力下可以表现出相对较低的OPVs能量损耗和快速的电荷分离。

2.探究高效低能损有机光伏电子受体的意义

虽然在这方面的研究已经取得了一些进展，但与硅和钙钛矿相比，在OPVs方面基于NFA的能量损失仍然明显较大。降低能量在OPVs损失的一个常见方法是缩小BHJ中p型供体和n型受体之间的能级偏移，但这必然会影响BHJ的电荷分离效率，因此，在不牺牲电荷分离效率的前提下，通过分子结构的创新，探索降低OPVs能量损失的新策略具有重要意义。

3. 在材料设计中提出的的问题

材料的卤化对器件性能的提高起着重要的作用。卤素原子，如氟和氯原子，可以给NFAs带来好处，包括分子间的相互作用、分子的极化、静电势的增加，以及能级的调整。有报道称，NFAs上的卤化对降低OPVs的能量损失有积极的作用。在能量损失的三个部分（带隙以上的辐射损失、带隙以下的辐射损失和非辐射损失）中，非辐射损失是影响能量损失的关键因素，可以是通过增强器件的EQEEL而降低。因此，NFAs终端的卤素类型和数量是否影响EQEEL从而抑制能量损失的问题是很有吸引力的。

核心内容

作者提出了一种新的具有A1-D-A2不对称结构的NFAs分子设计方案：以吲哚酮和3-双氰基甲基-1-吲哚酮为末端的不对称电子受体。与具有不对称供体核D的NFAs不同，具有不对称末端A1和A2的NFAs可以利用吲哚醌和3-双氰基甲基-1-吲哚酮之间的反应性差异，以更可行的方法合成，从而避免了不对称核的复杂合成过程，该方案还通过各种D、A1和A2构建块的组合使NFAs的类型多样化。特别是，它能够在终端引入六个卤素原子，为研究更多卤素原子NFAs的能量损失提供了一个很好的例子。

作者发现，基于含有聚合物供体PM6和具有六个氯原子的不对称BTP-S2的混合物OPVs显示出最高的EQEEL，从而降低了非辐射损耗。同时，在它们的混合物中还测量到从BTP-S2到PM6的更快空穴转移。结果表明，在本研究的结构中，基于PM6:BTP-S2共混物的二元OPVs的效率最高为16.37%，而基于PM6:Y6:BTP-S2共混物的三元OPVs的效率进一步提高到17.43%，这是单结OPVs的最佳结果之一。这项工作为具有非对称端子的NFAs提供了一种新的设计思路，可用于高效率和低能量损耗的OPVs。

图1. 化学结构示意图和相关性能比较

a) Chemical structures of BTP‐S1, BTP‐S2, and Y6.

b) Absorption spectra of BTP‐S1 and BTP‐S2 in 10⁻⁶ m chloroform solutions.

c) Normalized absorption spectra of PM6, Y6, BTP‐S1, and BTP‐S2 thin films.

d) Schematic energy level alignment of the studied materials.

文章链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202001160

老师简介:

陈红征,浙江大学博士, 教授

现任浙江大学高分子复合材料研究所所长, 兼任中国化学会有机固体专业委员会委员、中国材料研究学会高分子材料与工程分会常务理事和副秘书长、中国图像科学与工程学会理事会副理事长、高分子合成与功能构造教育部重点实验室学术委员会委员、能量转换与存储材料化学教育部重点实验室学术委员会委员、浙江省复合材料学会副理事长、《材料科学与工程学报》和《材料研究学报》期刊编委等。

主要从事有机高分子光电功能材料与器件的研究与教学工作，先后主持国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金重大项目课题/重点/ 重大（重点）国际合作、973项目课题和863重点项目等国家和省部级项目20多项；在Adv. Mater., Chem. Rev., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Energy Environ. Sci., Adv. Energy Mater. 等本领域著名学术刊物发表SCI收录论文300多篇，SCI论文他引超过8000多次，获国家授权发明专利42项, 国际会议邀请报告60多次，组织国际会议8次。获国家教委科技进步三等奖1项（1995年），荣获浙江省教育工会“事业家庭兼顾型”先进个人（2003年）、浙江省三八红旗手（2008年）、全国女职工建功立业标兵（2009年）和浙江省巾帼发明者（2009年）等荣誉称号。

资料来源: https://person.zju.edu.cn/0094155

Fengling Zhang，Professor

In 2014 Prof. Fengling Zhang became one of Linkoping University's two Thomson Reuters Highly Cited Researchers, ranking among the top 1% most cited in her subject field and year of publication, and earning her the mark of Exceptional Impact as certified by Thomson Reuters.

Prof. Zhang's work centers on organic based solar cells made from organic solutions which, compared to silicon based solar cells, have an advantage in their low cost. Layer structure organic solar cells based on organic materials can also be printed on flexible substrates and be semi-transparent for installation on windows.

For full scale production the solar cell is printed using a rotary press on a continuous substrate, leading to a high production speed and low production cost.

Prof. Zhang's research interests include:

Exploring new materials: new donor materials including both polymers and soluble small molecules and new acceptor materials.

Investigating the correlation between device performance and band-gaps, as well as the optical, electrical and packing properties of various polymers and soluble small molecules.

Studying the mechanism of charge generation and recombination in organic solar cells.

Exploring new device structures and processing conditions.

Applying organic solar cells to low energy demand devices.

Integrating multifunctional devices.

Detecting bioluminescence with organic photodetectors.

资料来源：https://liu.se/en/employee/fenzh60

施敏敏，浙江大学，教授，博士生导师

1988年9月至1993年7月在中国科技大学材料科学与工程系高分子化学专业本科学习，1993年9月至1996年3月在浙江大学高分子科学与工程学系高分子化学与物理专业攻读硕士学位。1996年3月至2000年8月分别在浙江省火炬产业发展中心、杭州顶正包材有限公司和杭州中大电源有限公司工作。2000年9月至2003年12月在浙江大学高分子科学与工程学系材料物理与化学专业攻读博士学位，导师为汪茫教授。2003年12月起在浙江大学高分子复合材料研究所从事教学和科研工作。2006年10月至2007年9月在美国加州大学洛杉矶分校（UCLA）材料系Yang Yang教授课题组作为访问学者开展合作研究。2006年12月晋升副教授。2013年12月晋升教授。

研究方向