2024-10-09 | 科研部 连发顶刊 南科大学者在有机太阳能电池领域取得系列进展

近日，南方科技大学电子与电气工程系副教授Aung Ko Ko Kyaw团队在有机太阳能电池领域取得一系列重要研究进展，与合作者在能源领域Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., 等学术期刊上连发多篇研究类论文及一篇综述类论文。

有机太阳能电池（OPV）作为下一代太阳能技术的强有力候选者，引起了广泛关注。它具有低碳足迹、快速能源回报以及通过卷对卷和开放式印刷技术进行大规模制造的潜力。随着材料开发、器件结构以及对OPV在分子层面运行机制的深入理解的不断进步，其光电转换效率（PCE）现已超过20%。这一进展将OPV的商业化推向了快车道，使其成为可再生能源领域的优先发展方向。使任何光伏技术实现商业化的关键之一是在成本、效率和稳定性之间找到平衡。尽管OPV在效率方面取得了显著成就，但这一成功很大程度上依赖于使用稠环电子受体（FREA）。FREA的多步合成过程复杂且需要使用有害化学品，这不仅提高了生产成本，也使得OPV技术的大规模应用变得更具挑战性。为了应对这一挑战，南方科技大学电子与电气工程系的Aung Ko Ko Kyaw教授领导的研究团队开发了一类新的材料——非稠环电子受体（NFREA）。这些NFREA材料的特点是部分或完全非稠合的分子结构，它们通过使用单键连接来简化合成步骤，不仅降低了成本，还为优化材料的光电子性能提供了新途径。NFREA材料尤其令人兴奋的是它们设计的灵活性。与FREA不同，调整其烷基链必须在合成的早期阶段进行，而NFREA允许在合成过程的任何阶段进行修饰，如调整烷基链、改变核心或添加卤素。这种灵活性使得控制材料的能级、光学带隙和分子堆积变得更加容易，从而显著提升了OPV的性能。然而，NFREA的单键结构有时会阻碍分子的共面性，进而降低电荷传输效率。为了解决这一问题，Kyaw教授的团队引入了F...H、N...S和S...O等非共价相互作用，将分子锁定为更刚性的共面结构。这一策略增强了分子堆积，提升了电子迁移率，从而实现了更高效的电荷转移。基于这些创新，研究团队成功设计并测试了一系列应用于二元和三元混合OPV中的NFREA材料。他们的研究成果发表在 Advanced Energy Materials、 Advanced Functional Materials 和 Nano Energy等顶级期刊上，标志着在追求具有成本效益、高性能OPV技术方面的重大飞跃。

工作一：揭示卤素化策略对结晶动力学和分子堆积的影响

Aung Ko Ko Kyaw团队探究了卤素化在NFREA中的作用。研究人员合成了一系列含氟、氯和溴的NFREA（图1），以探索它们对结晶、分子堆积和电荷传输的影响。特别是氯化的NFREA表现出显著的性能，它们显著延缓了结晶过程，使分子堆积更可控，并减少了过度聚集，从而增强了整体结晶性并改善了活性层中的相分离。此外，氯化的NFREA还具有更长的激子扩散长度和较低的电子与空穴在激发态的库仑吸引能，这在促进激子有效分离和减少电荷复合方面起到了关键作用。这些分子结构和电荷动力学的改进使得使用氯化NFREA的OPV表现出优异的性能，其二元混合器件的光电转换效率分别达到14.85%和15.30%。这是迄今为止A-π-A'-π-A和A-π-D-π-A结构NFREA中所报告的最高效率，标志着NFREA基OPV性能的重要里程碑。这一研究强调了卤素化，特别是氯化，作为一种有效的分子工程策略，可以显著提高OPV的效率和可扩展性。

图1.（a）使用卤化策略的NFRAs的化学结构。(b) 分子激发态下电子和空穴的分布及库仑相互作用。(c) NFREAs薄膜从原位UV-Vis吸收光谱中得到的峰位随时间演变的变化。(d) 薄膜形成过程中不同阶段的结晶时间。

相关研究成果以“Revealing the Effect of Halogenation Strategy on the Regulation of Crystallization Kinetics and Molecular Packing for High-Performance Organic Solar Cells”为题发表在领域顶级期刊Advanced Functional Materials 上。论文的第一作者是Aung Ko Ko Kyaw团队博士后研究员罗豆博士，通讯作者为海南大学迟伟杰教授、南科大徐保民讲席教授和Aung Ko Ko Kyaw副教授。南科大为该论文的第一通讯单位。

工作二：咔唑修饰的高三重态能级非稠环电子受体用于高效OPV

此工作中，研究团队开发了一种新型NFREA，PCT-4Cl，具有叔丁基咔唑侧链（图2）。这一创新在增强三重态激子传输、提高结晶度和改善OPV活性层中的电荷传输方面起到了关键作用。通过将PCT-4Cl与eC9和C8C8-4Cl等受体结合制备三元混合膜，团队成功将PCE分别提升至18.84%和15.17%；当使用2PACz空穴传输层时，PCE进一步提升至19.25%和15.53%。PCT-4Cl的高三重态能级促进了高效电荷转移，提升了二元和三元OPV器件的性能。独特的叔丁基咔唑侧链不仅延长了激子扩散长度，减少了复合损失，还控制了分子堆积，从而改善了相分离和提高了薄膜的结晶度。这一发现强调了侧链工程在实现高性能OPV中的重要性，并标志着NFREA商业化可行性的重大进步。

图2. (a) 文献中常用的侧链取代基及N-取代侧链的概念。 (b) 具有叔丁基咔唑侧链的PCT4Cl的化学结构。 (c) PCT-4Cl中电子状态的Jablonski图（基态(S0)、单态(S1)、三重态(T1)、电荷转移态(CT)）。 (d) 相应的S1、T1及PCT-4Cl、eC9和C8C8-4Cl之间的可能电荷转移过程。

相关研究成果以“Tert-butyl carbazole modified non-fused ring electron acceptor generating high triplet state energy level for efficient organic solar cell”为题发表在Nano Energy 期刊上。该论文的第一作者是罗豆博士，通讯作者包括国家纳米科学中心的周二军研究员、江西师范大学陈义旺教授以及Aung Ko Ko Kyaw副教授。南方科技大学是论文的第一通讯单位。

工作三：通过供受体相互渗透和分层实现厚度不敏感的OPV

此研究中，研究团队在解决厚活性层的局限性方面取得了重大进展，这一问题是大规模生产中的关键挑战。通过利用顺序沉积(SD)技术进行供受体（D/A）相互渗透和垂直分层，团队显著提升了基于NFREA的OPV的PCE。研究表明，厚度达800纳米的活性层可以在不影响性能的情况下保持高效率，在厚度为300纳米的薄膜中实现了高达14.75%的PCE。这得益于SD方法，该方法能够更好地垂直分布供体和受体材料，确保即使在较厚的薄膜中也能实现高效的电荷生成和传输。SD处理的器件在填充因子（FF）和短路电流密度（Jsc）方面表现优于传统的共混器件。为了进一步评估性能，团队引入了一个新的指标，称为“Figure-of-Merit-X”（FoM-X），强调了在厚膜器件中保持效率的重要性。通过这一创新方法，团队为基于NFREA的厚膜OPV设定了新标准，为商业规模的卷对卷生产提供了可行的路径。

该研究以“Thickness Insensitive Organic Solar Cells with High Figure‐of‐Merit‐X Enabled by Simultaneous D/A Interpenetration and Stratification”为题发表在Advanced Energy Materials 期刊上。第一作者为南方科技大学与香港理工大学联合培养博士生谢惜芸，通讯作者包括香港理工大学马睿杰博士和李刚教授、香港科技大学吴佳莹助理教授以及Aung Ko Ko Kyaw副教授。

工作四：通过供受体分层活性层中的重新混合策略实现17.2%效率的完全非融合环受体OPV

延续以上研究，团队开发了一种突破性的供受体重新混合策略，显著提升了基于完全非稠环受体的OPV性能。在这一策略中，次级供体（PTQ10）与受体前体溶液（A4T-16）混合后沉积在预形成的主供体薄膜（D18）上，形成供受体分层活性层（图3）。此外，团队还引入了完全非融合环受体TBT26与聚合物供体PTQ11，以形成额外的电荷生成区，增强电荷提取并抑制复合。通过优化活性层中供体和受体材料的垂直分布，他们实现了高达17.21%的光电转换效率（PCE）。这一重新混合方法改善了Jsc和FF，证明了垂直形貌在提高太阳能电池效率中的重要性。使用重新混合活性层的器件展示了增强的极化子生成和电荷迁移，助力实现创纪录的PCE。这一方法不仅为完全非融合环受体基的有机太阳能电池设立了新基准，还为下一代太阳能电池的商业化提供了具有成本效益的路径。

图3. (a) 给受体再共混类活性层制备示意图。(b) 二元、三元给受体垂直分布的活性层示意图。

相关研究成果以“17.2% Efficiency for Completely Non-fused Acceptor Organic Solar Cells via Re-intermixing Strategy in D/A Stratified Active Layer”为题发表在Advanced Functional Materials 期刊上。第一作者为谢惜芸，通讯作者包括马睿杰博士、李刚教授和Aung Ko Ko Kyaw副教授。

工作五：通过合金状相受体实现超过15.6%效率的非融合环受体OPV

在持续推进研究的过程中，Aung Ko Ko Kyaw团队通过将两种非稠环受体“C6C4-4Cl”和“BTIC-4F”（图4）与供体聚合物PM6混合，实现了15.62%的显著PCE。他们创新的三元混合策略形成了合金状相，提高了激子扩散长度和结晶性能，促进了高效电荷传输。使用空穴传输层（HTL）2PACz在提高PCE方面起到了关键作用。2PACz HTL在活性层中引发了垂直相分离，改善了电荷提取并最小化了复合。团队的研究还证明了其设计在大规模生产中的可扩展性，活性层厚度高达330纳米的器件实现了超过13%的PCE，这使得该方法在商业卷对卷印刷技术中具有可行性。

图4. (a) C6C4-4Cl和BTIC-4F的化学结构。 (b) C6C4-4Cl、BTIC-4F及两种NFREAs混合物的差示扫描量热曲线及熔融焓值，显示混合物中合金相的形成。 (c) 涂覆在(c) PEDOT:PSS和(d) 2PACz上的PM6:C6C4-4Cl混合薄膜中F−和CN−的TOF-SIMS离子强度及CN−/F−强度比随t/tmax的变化，表明2PACz上存在更高的垂直相分离。“t”是特定的溅射时间，tmax是总溅射时间。 (e)文献和本文的NFREAs的功率转换效率(PCE)与厚度的关系的比较。

相关研究成果以“Non-Fused Ring Acceptors Achieving Over 15.6% Efficiency Organic Solar Cell by Long Exciton Diffusion Length of Alloy-Like Phase and Vertical Phase Separation Induced by Hole Transport Layer”为题发表在Advanced Energy Materials 期刊上。论文的第一作者是罗豆博士，通讯作者包括徐保民讲席教授和Aung Ko Ko Kyaw副教授。南方科技大学是论文的第一通讯单位。

论文链接:

https://doi.org/10.1002/adfm.202311736

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.109583

https://doi.org/10.1002/aenm.202401355

https://doi.org/10.1002/adfm.202411286

https://doi.org/10.1002/aenm.202203402

供稿：电子与电气工程系

通讯员：胡卓欣

主图：丘妍

编辑：周易霖