本研究由中科院化研所侯劍輝團隊設(shè)計并合成了四種非富勒烯受體(NFA)材料:ITC9-4F、ITC9-4Cl、ITC9-4Br和ITC9-4I,通過在末端基團引入不同鹵素取代基。研究了這些NFA在有機太陽能電池(OSCs)中的光伏性質(zhì)。計算結(jié)果顯示材料表面靜電勢相似,但原子半徑隨鹵素變化。光電性能分析表明鹵素取代基影響吸收光譜和分子能級。ITC9-4F表現(xiàn)出藍移吸收光譜和較低消光系數(shù)。在OSCs中,ITC9-4F基電池顯示高開路電壓(Voc)但較低功率轉(zhuǎn)換效率(PCE)。ITC9-4Cl、ITC9-4Br和ITC9-4I基OSCs顯示相近PCE,Voc逐漸增加,填充因子減小。4F到4I基電池中,陷阱輔助復合加劇,能量損失減少。這些發(fā)現(xiàn)突顯了鹵素NFA在OSCs中的潛力。
OSCs因其輕質(zhì)、靈活和簡易加工等優(yōu)勢備受關(guān)注。近年來,隨著非富勒烯受體(NFAs)的發(fā)展,OSCs的功率轉(zhuǎn)換效率顯著提高,超過20%。NFAs作為OSCs電子受體具有可調(diào)吸收光譜、分子能級和排列等優(yōu)勢。其中,NFAs端基鹵素化被證明是改善光伏特性的有效方法。
在受體-給體-受體(A-D-A)結(jié)構(gòu)的NFA分子中,端基鹵素化具有多重作用:增強電子親和力,促進分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移,降低帶隙;加強分子間相互作用,改善結(jié)晶性和載流子遷移;增加偶極矩變化,降低激子結(jié)合能,實現(xiàn)高效激子解離。不同鹵素從氟到碘,電負性降低,原子半徑增大。氟和氯可避免立體位阻,溴和碘則易于極化,加強分子間相互作用,優(yōu)化電荷傳輸。
然而,關(guān)于溴和碘原子引入NFAs端基的研究仍不充分。
本研究DOI:10.1039/D4QM00648H
研究程序要點歸納
在研究過程中,各種實驗手法的重要性取決于它們在理解和評估非富勒烯受體(NFAs)在光伏應(yīng)用中的溴化效應(yīng)所扮演的角色。以下是根據(jù)論文及補充資料統(tǒng)整后,對研究過程中使用的手法依其重要性進行的排序:
1. 合成與純化:這是研究的基礎(chǔ),因為沒有合成的材料就無法進行后續(xù)的表征和測試。研究人員設(shè)計并合成了四種非富勒烯受體(NFA)材料,分別是ITC9-4F、ITC9-4Cl、ITC9-4Br和ITC9-4I。這些材料的設(shè)計是為了研究不同鹵素取代基對光電特性的直接影響。
2. 光伏特性測試:理解材料的化學和物理性質(zhì)對于評估其在光伏應(yīng)用中的性能至關(guān)重要。系統(tǒng)地研究這些NFA的光伏特性,包括包括開路電壓(Voc)、短路電流密度(Jsc)、填充因子(FF)和功率轉(zhuǎn)換效率(PCE)為評估材料性能的關(guān)鍵。
3. 裝置制造:這是將材料轉(zhuǎn)化為實際應(yīng)用的關(guān)鍵步驟。文檔中描述了聚合物太陽能電池的制作過程,包括ITO玻璃的清潔、PEDOT層的旋涂、活性層的制備和熱處理、PDINN層的旋涂和Ag層的蒸發(fā)。
4. 裝置表征與測量:這一步驟用于評估太陽能電池的性能,包括J-V測量、EQE測試、photo-CELIV測量、敏感EQE測量、EL量子效率測量和電子遷移率的測量。
中科院化研所安裝光焱科技QE-R光伏 / 太陽能電池量子效率測量解決方案
5. DFT計算:理論計算提供了對材料電子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的深入理解。文檔中提到了使用Gaussian 09進行DFT計算的分子幾何優(yōu)化方法。
上述記載于研究論文中的手法,對于研究非富勒烯受體在光伏應(yīng)用中的溴化效應(yīng)都是必要的,并且它們的重要性是相互依賴的。
鹵代A-D-A型NFAs 新型光伏材料的有效策略
近期研究表明,溴取代NFAs可能表現(xiàn)出與氟和氯相似或更優(yōu)的光伏性能。例如,Self-assembled interlayer enables high-performance organic photovoltaics with power conversion efficiency exceeding 20% 研究顯示鹵素化NFAs結(jié)晶性隨原子量增加而增強,提高OSCs電荷傳輸和PCE。
或是提出溴化NFA表現(xiàn)出高度有序堆疊和更高電荷遷移率。該研究團隊報道的四碘取代NFA(BO-4I)因碘原子特性獲得顯著激子擴散長度,降低OSCs非輻射能量損失。
研究人員將取代為4F-、4Cl-、4Br-和4I-的電子受體,即ITC9-4F、ITC9-4Cl、ITC9-4Br和ITC9-4I,進行設(shè)計并合成。這四種新型非全芳烴(NFAs)在有機太陽能電池中的應(yīng)用基礎(chǔ)上,其光伏特性已經(jīng)得到系統(tǒng)地研究。結(jié)果顯示,氟原子的最小原子半徑限制了ITC9-4F中π-電子的電子共軛作用,導致其輕微的藍移吸收譜、較低的吸收系數(shù)和與其他鹵素取代基相比明顯不同的光伏特性。除此之外,基于四個有機太陽能電池的再結(jié)合機制分析表明,陷阱輔助再結(jié)合變得越來越嚴重,而能量損失呈逐漸減少的趨勢在4F-、4Cl-、4Br-和4I-基礍的電池中表示。因此,基于ITC9-4Cl、ITC9-4Br和ITC9-4I的有機太陽能電池分別展現(xiàn)出14.6%、14.1%和14.6%的可比轉(zhuǎn)換效率(PCE),并且逐漸提高的開路電壓(VOC)和降低的填充因子(FF)值。這些結(jié)果證明了鹵代A-D-A型NFAs在有機太陽能電池應(yīng)用中的可行性,并突顯其作為設(shè)計新型光伏材料的有效策略。
文獻參考自Materials Chemistry Frontiers 6 Sep._DOI:10.1039/D4QM00648H
本文章為Enlitech光焱科技改寫 用于科研學術(shù)分享 如有任何侵權(quán) 請來信告知