中国科学院化学研究所李永舫、上海交通大学刘烽、南昌大学陈义旺、吉林大学王同辉、安徽大学 Qingqing Yang、中山大学材料学院刘升华等人研究指出，非富勒烯受体的介电常数是调控有机太阳能电池性能的核心参数，直接决定器件的激子解离效率与电荷复合动力学特性。当前主流非富勒烯受体普遍存在介电常数偏低的短板，其相对介电常数仅为 3~5，易引发严重的电荷复合损耗，从本征层面制约了有机太阳能电池光电性能的进一步提升。
针对上述瓶颈，该团队对 L8-BO 分子进行改性设计，在其内侧侧链引入二甲醚基团、替换原有支链烷基，成功合成新型非富勒烯客体受体材料 L8-BO-FO。密度泛函理论计算结果表明，相较于主体材料 L8-BO，修饰二甲醚的功能侧链及 L8-BO-FO 分子具有更大的偶极矩，可将材料相对介电常数提升至 7.41，远高于纯 L8-BO 的 4.57。
该研究将高介电常数 L8-BO-FO 微量掺杂至 PM6:L8-BO 二元共混体系中构建三元有源层，有效优化了薄膜介电性能，加快激子演化进程，显著抑制非辐射电荷复合。研究通过精准调控掺杂比例优化器件光电性能，在 0.5 wt% 的超低掺杂量下，三元有机太阳能电池实现 21.0% 的最优光电转换效率，显著优于效率为 19.1% 的二元基准器件。器件机理测试分析证实，性能大幅提升的核心原因在于 L8-BO-FO 的引入有效促进激子解离、抑制电荷复合损耗。
形貌表征与分子动力学模拟结果进一步证实，L8-BO-FO 的掺入可缩短分子堆积间距，提升载流子传输速率与激子解离速率；同时能够优化电荷转移态能级、降低激子结合能，助力载流子高效生成，有效改善器件的短路电流与开路电压。基于优异的光电性能与薄膜结构优势，有源层厚度达 300 nm 的厚膜三元器件仍可实现 19.10% 的光电转换效率，厚度耐受性优异，性能处于现阶段同类厚膜有机光伏器件的领先水平。
综上，该工作依托介电工程策略开发了高性能高介电常数有机光伏材料，有效缩小了厚膜器件与薄膜器件的效率差距，解决了传统有机太阳能电池厚膜制备效率衰减的关键难题。该研究为构筑高性能、高厚度耐受性的有机太阳能电池提供了新颖的分子设计策略，为器件高通量规模化制备及商业化应用提供了重要的理论与实验支撑。
文献信息
Ultra-HighDielectricAcceptorEnables21%EfficiencyandThickness-InsensitiveOrganicSolarCells
YoudiZhang,HanshengChen,AilingYin,HaoWang,NanYe,ShuaiXu,PaiPeng,PengZhang,JunfeiZhu,BoyaoZhang,HongxiangLi,ChenXie,GuangyeZhang,XiaotuanHu,LeiZhu,LongYe,HuiliangSun,ShenghuaLiu,QingqingYang,TonghuiWang,ShouguoWang,QingJiang,ChunhuiDuan,YiwangChen,FengLiu,YongfangLi
https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.73497
热门跟贴