前言

有機(jī)光伏（OPV）電池因其輕薄柔性、可印刷等優(yōu)勢(shì)，被視為具潛力的下一代可再生能源技術(shù)。然而，效率和穩(wěn)定性不足一直制約著OPV的商業(yè)化應(yīng)用。

中科院侯劍輝團(tuán)隊(duì)發(fā)表在期刊《Advanced Energy Materials》(29 Mar.Doi:10.1002/aenm.202303605)上的研究成果顯示，通過(guò)在非富勒烯受體材料中引入吡咯環(huán)，可以顯著提升有機(jī)光伏（OPV）電池在室內(nèi)光照下的發(fā)電性能。研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)合成了兩種新型材料FICC-EH和FICC-BO，并發(fā)現(xiàn)它們?cè)谟袡C(jī)發(fā)光二極管（OLED）中展現(xiàn)出優(yōu)異的量子效率，其中FICC-BO基OLED器件的量子效率更是高達(dá)0.1%，這在OPV材料中屬于相當(dāng)亮眼的成績(jī)。更重要的是，基于FICC-BO的OPV電池在室內(nèi)1000 lux LED光照下實(shí)現(xiàn)了25.4%的功率轉(zhuǎn)換效率（PCE），遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)光照（AM1.5G）下的12.0% PCE，充分展現(xiàn)了吡咯環(huán)在提升室內(nèi)OPV電池性能方面的巨大潛力。

導(dǎo)讀目錄

1.       前言

2.       研究方法－烷基鏈調(diào)控與合成路線(xiàn)全解析

3.       表征方法

l   光電性能測(cè)量

l   光學(xué)性質(zhì)測(cè)量

l   結(jié)構(gòu)和形態(tài)學(xué)分析

l   化學(xué)結(jié)構(gòu)和組成分析

l   電化學(xué)性質(zhì)測(cè)量

4.       結(jié)論－提升有機(jī)光伏電池性能的策略：吡咯環(huán)

研究方法－烷基鏈調(diào)控與合成路線(xiàn)全解析

為了設(shè)計(jì)和合成兩種新型材料FICC-EH和FICC-BO，研究人員首先在共軛骨架中加入了兩個(gè)吡咯環(huán)，并對(duì)吡咯環(huán)上的烷基鏈進(jìn)行了調(diào)節(jié)，以控制其聚集特性。具體的合成路徑如下：

1. FICC-EH和FICC-BO的合成使用了Na2CO3作為催化劑，在THF/H2O（5:1）混合溶劑中，以Pd(PPh3)2Cl2作為催化劑，反應(yīng)溫度為60℃。
        
        

2. 接著使用三乙基磷酸酯和o-二氯苯在180℃下進(jìn)行反應(yīng)，然后使用KOH、KI和DMF在100℃下進(jìn)行反應(yīng)。
        

3. 最后使用POCI3和DMF在室溫下進(jìn)行反應(yīng)，并使用吡啶和氯仿在室溫下進(jìn)行反應(yīng)。

通過(guò)這些步驟，研究人員成功合成了FICC-EH和FICC-BO，并通過(guò)量子化學(xué)計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)試來(lái)優(yōu)化其結(jié)構(gòu)和光電特性。

表征方法

1. 光電性能測(cè)量：

• J-V測(cè)量：評(píng)估太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，利用Enlitech的SS-X50太陽(yáng)能模擬器進(jìn)行J-V測(cè)量，評(píng)估OPV電池在標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光照條件（AM1.5G）下的開(kāi)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）。

• EQE（外部量子效率）測(cè)量：使用Enlitech的QE-R3011太陽(yáng)能電池光譜響應(yīng)測(cè)量系統(tǒng)被用來(lái)測(cè)量外部量子效率（EQE）光譜，評(píng)估太陽(yáng)能電池在不同波長(zhǎng)下的光電轉(zhuǎn)換效率。
       

       
        圖5b：展示了PBQx-TF和PBQx-TF基電池的外部量子效率（EQE）曲線(xiàn)。
       
       

• EQEEL（電致發(fā)光外部量子效率）測(cè)量：使用Enlitech的ELCT-3010（現(xiàn)Enlitech REPS）測(cè)量EQEEL曲線(xiàn)，評(píng)估材料的電致發(fā)旋光性能。
       

  
       
        根據(jù)圖2a，FICC-EH和FICC-BO的EQEEL值約為4.1 x 10^-4，這顯著高于ITIC系列，并接近Y系列的水平。

• FTPS-EQE測(cè)量：利用Enlitech的PECT-600（現(xiàn)Enlitech FTPS）進(jìn)行FTPS-EQE測(cè)量，分析電池的能量損失（Eloss）和帶隙（Eg），并確定材料的光電轉(zhuǎn)換特性。
       

  
       
        圖S12a：展示電致發(fā)光和高靈敏度外部量子效率（s-EQE）測(cè)量，以研究?jī)煞N有機(jī)光伏（OPV）電池的能量損失（Eloss）。在圖S12a（支持信息）中顯示，OPV電池的帶隙（Eg）可以通過(guò)dEQE/dE的導(dǎo)數(shù)來(lái)確定。PBQx-TF和PBQx-TF基電池的帶隙分別為1.69 eV和1.70 eV

  
       

  
       
        圖S12b、c：s-EQE曲線(xiàn)的擬合結(jié)果，從而幫助確定PBQx-TF和PBQx-TF基電池的能量損失（Eloss）。這些電池的Eloss分別為0.65 eV和0.66 eV。

  
       

• Photo-CELIV（光誘導(dǎo)電荷載流子提取）測(cè)量：評(píng)估太陽(yáng)能電池的電荷載流子動(dòng)力學(xué)。

• OLED性能測(cè)量：使用Enlitech的LQ-50X測(cè)量OLED的性能，包括發(fā)光光譜和發(fā)光效率，其中FICC-BO被用作OLED的發(fā)光層材料。
       

       
        Figure 2b：這張圖表展示了OLED的結(jié)構(gòu)，具體為ITO/PEDOT/FICC-BO/TPBi/LiF/Al。這有助于理解OLED的組成和層次結(jié)構(gòu)。

  
       
        Figure 2c：顯示了OLED的發(fā)射光譜，主要覆蓋700到850 nm的范圍，并在759 nm處達(dá)到發(fā)射峰值。表示OLED的發(fā)光特性和顏色純度

  
       
        Figure 2d：展示了OLED在寬電壓范圍內(nèi)的量子效率（QE）值，顯示出穩(wěn)定的0.1% QE，這表明OLED的性能穩(wěn)定性。

2. 光學(xué)性質(zhì)測(cè)量：

• TA（瞬態(tài)吸收）測(cè)量：研究材料的激發(fā)態(tài)動(dòng)力學(xué)。

• 紫外-可見(jiàn)吸收光譜測(cè)量：測(cè)量材料的吸收光譜。
       
        圖1d：FICC-EH和FICC-BO在溶液和薄膜狀態(tài)下的紫外-可見(jiàn)吸收光譜。這些光譜顯示了它們的最大吸收峰和吸收起始點(diǎn)，

• 室內(nèi)光譜輻射度校準(zhǔn)：校準(zhǔn)室內(nèi)光的譜放射度。
       
        圖5h：用于室內(nèi)OPV電池測(cè)試的3000K LED光源的發(fā)射光譜。
       
       

o    LED（3000K）的譜放射度測(cè)量：使用Enlitech的HS-IL分光計(jì)校準(zhǔn)室內(nèi)光（LED，3000K）的譜放射度，并利用3000K LED燈提供1000 lux的照明，模擬室內(nèi)照明條件，評(píng)估OPV電池在室內(nèi)環(huán)境下的Voc、Jsc、FF和PCE。

3. 結(jié)構(gòu)和形態(tài)學(xué)分析：

• GIWAXS（掠入射廣角X射線(xiàn)散射）測(cè)量：分析材料的晶體結(jié)構(gòu)和薄膜形態(tài)。

• AFM（原子力顯微鏡）測(cè)量：觀(guān)察材料的表面形態(tài)。

4. 化學(xué)結(jié)構(gòu)和組成分析：

• NMR（核磁共振）測(cè)量：確定材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)。

• MALDI-TOF質(zhì)譜測(cè)量：分析材料的分子質(zhì)量和化學(xué)組成。

5. 電化學(xué)性質(zhì)測(cè)量：

• 電化學(xué)循環(huán)伏安法測(cè)量：研究材料的氧化還原行為和能級(jí)。

結(jié)論－提升有機(jī)光伏電池性能的策略：吡咯環(huán)

本研究證實(shí)，在非富勒烯受體材料（NFAs）的共軛骨架中引入吡咯環(huán)，可以提升其光電性能，為開(kāi)發(fā)高效有機(jī)光伏（OPV）電池提供助力。

設(shè)計(jì)合成的兩種新型非富勒烯受體材料FICC-EH和FICC-BO，在有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）中展現(xiàn)出良好的量子效率。其中，FICC-BO基OLED器件的量子效率達(dá)到0.1%。

此外，基于FICC-BO的OPV電池在標(biāo)準(zhǔn)光照（AM1.5G）下實(shí)現(xiàn)了12.0%的功率轉(zhuǎn)換效率（PCE），在室內(nèi)1000 lux LED光照下實(shí)現(xiàn)了25.4%的PCE，證實(shí)了吡咯環(huán)在提升OPV電池性能方面的潛力。

吡咯環(huán)的引入為降低OPV電池的能量損失和拓展其在光電領(lǐng)域的應(yīng)用提供了可能性，未來(lái)有望在室內(nèi)光伏等領(lǐng)域發(fā)揮作用。

文獻(xiàn)參考自Advanced Energy Materials 29 Mar_Doi:10.1002/aenm.202303605

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