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邹应萍&颜河: 世界最高效率有机太阳能电池!

邹应萍&颜河: 世界最高效率有机太阳能电池!

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邹应萍&颜河: 世界最高效率有机太阳能电池!
第一作者:Kui Jiang, Qingya Wei, Joshua Yuk Lin Lai
通讯作者:邹应萍,颜河

通讯单位:中南大学,香港科技大学

邹应萍&颜河: 世界最高效率有机太阳能电池!
研究亮点
邹应萍&颜河: 世界最高效率有机太阳能电池!
1. 一种新的非富勒烯受体N3,其性能优于Y6
2. 第三位支链的烷基链,得到最佳特性
3. 认证的光电转换效率达到16.42%
4. 三元策略可实现16.74%的高光电转换效率

邹应萍&颜河: 世界最高效率有机太阳能电池!

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研究简介
邹应萍&颜河: 世界最高效率有机太阳能电池!

非富勒烯有机太阳能电池(OSC)的优点是重量轻,机械柔韧性好,并且可以通过印刷工艺低成本生产,因此备受关注。在过去的两年中,由于名为Y6的高效(15.7%)非富勒烯小分子受体(SMA)的出现,OSC领域得到了飞速发展,其分子设计是研究的关键课题。近日,中南大学邹应萍和香港科技大学颜河团队设计并合成了具有与Y6相同的芳族主链但具有不同烷基链的SMA系列,以研究烷基链对SMA性质和性能的影响。首先,研究表明在Y6的吡咯基序的氮原子上使用支链烷基链是有益的。另外,烷基链的支化位置也对材料和器件性能有重要影响。具有第三位支链烷基链的SMA(命名为N3)表现出最佳的溶解度以及电子和形态学特性,因此产生了最佳性能。使用三元策略对器件进行进一步的优化,最终实现了16.74%的高效率(以及16.42%的认证效率),这是目前有报道的最高国际认证的单节有机光伏能量转换效率。相关结果以“Alkyl Chain Tuning of Small Molecule Acceptors for Efficient Organic Solar Cells”为题发表在Joule期刊上。

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图文导读
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图1. Y6, N-C11, N3和N4的分子结构


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图2. 传统结构PM6:SMA OPVs的光电性能表征


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图3. PM6:SMA共混膜的分子堆积表现。(A) PM6:Y6, (B) PM6:N-C11, (C) PM6:N3, 和(D) PM6:N4的2D GIWAXS。(E)PM6:SMA共混膜的1D轮廓,虚线代表平面内轮廓,实线代表平面外方向。


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图4. 在283.8 eV处对数正态组成分布的PM6:SMA混合膜洛伦兹校正RSoXS轮廓


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图5. 三元器件的结构和光电性能表征。(A)器件结构和PM6、PC71BM的化学结构。(B)AM 1.5G光照下,三元器件的J-V曲线。(C)三元器件的EQE图谱

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全文总结
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通过比较在吡咯基上具有C11直链烷基链的Y6和N-C11,N-C11分子表现出差得多的溶解度和过大的结构域,这损害了器件的效率。第一次比较表明,将支链的烷基链保持在分子的氮原子上很重要,并进一步优化了吡咯基序上的支链烷基链的支链位置。通过比较具有不同支链位置的三种分子,发现第3位支链烷基链的SMA具有最佳的形态和电子性能,从而实现了16.0%的最佳效率。最后,通过采用三元策略(即掺入少量PC71BM受体),获得了PCE为16.74%的高效有机太阳能电池。Newport认证效率达到16.42%,这是迄今为止单结OSC的最高认证效率之一。
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文献信息
邹应萍&颜河: 世界最高效率有机太阳能电池!
Alkyl Chain Tuning of Small Molecule Acceptors for Efficient Organic Solar Cells (Joule, 2019)
DOI:10.1016/j.joule.2019.09.010
链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2542435119304702#undfig1

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