科學家在降低有機太陽能電池能量損失方面獲進展

【環球網科技綜合報道】6月21日消息，記者從中科院官網瞭解到，近日，中國科學院國家納米科學中心納米系統與多級次製造重點實驗室研究員魏志祥、呂琨、朱凌雲，與山東大學教授郝曉濤合作，設計合成了兼具低能量損失和高能量轉換效率的非富勒烯小分子受體材料。

研究結果表明，通過降低受體在光電轉換過程中的重組能，可有效降低非輻射覆合和驅動激子解離引起的能量損失，在開路電壓（VOC）高於0.93 V的情況下，效率可達18.2%，能量損失低至0.48 eV。這是迄今為止文獻報道的效率超過17%的二元有機光伏體系中最小的能量損失。

據悉，相關研究成果發表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。

有機太陽能電池（OSCs）因重量輕、可溶液加工、半透明及柔性等優點而受到關注。隨着材料設計的發展和器件工藝的優化，基於Y-體系的非富勒烯受體的OSCs的效率在二元器件中達18%以上，在三元器件中達19%以上。然而，與無機和鈣鈦礦太陽能電池相比，OSCs的能量損失（電壓損失）相對較大，成為限制OSCs光伏性能的瓶頸因素。目前，大多數高性能OSCs的開路電壓被限制在0.8~0.9 V，能量損失普遍大於0.5 eV。為了進一步提高OSCs的效率，需要深入瞭解能量損失的來源，並通過合理的分子設計進一步降低能量損失。

OSCs的能量損失主要來自兩個方面：激子解離需要的驅動力和非輻射覆合。非輻射覆合與電子-振動耦合有關（即重組能λ，它描述了電子轉移過程中分子幾何形狀的變化，反映了電子與分子內振動之間的相互作用）。重組能在OSCs的整個光電轉換過程中具有重要作用，小的重組能有助於抑制非輻射符合，並可以減小激子解離所需的驅動力。近日，課題組以Y型非富勒烯受體為分子骨架，將苯並噻唑（BT）五元環核替換為喹喔啉（Qx）六元環核，設計合成了非富勒烯小分子受體Qx-1和Qx-2。

據介紹，通過理論計算與薄膜形貌、激子和電荷動力學結果表明，這兩種受體在光電轉換過程中的重組能比Y6顯著降低，有利於提高激子壽命和擴散長度，促進電荷傳輸，抑制電荷複合帶來的能量損失。以聚合物PM6為給體，Qx-1和Qx-2為受體的二元有機光伏體系的能量損失分別降低到0.508 eV和0.482 eV，且兩種體系的VOC均達到0.9 V以上，同時能量轉換效率達18%以上。該工作揭示了減小重組能對於降低OSCs能量損失的重要性，為進一步提高OSCs的效率提供了新策略。