提高非稠环电子受体太阳能电池效率的新方法

Josiah02

　　基于聚合物供体和稠环电子受体 (FREA) 的化合物的有机太阳能电池的能量转换效率 (PCE) 最近已超过 19%。相比之下，基于非稠环电子受体 (NFREA) 的有机太阳能电池（NFREA 是一种更便宜的化合物，其特征是非稠合（即单独的）芳香环）迄今为止的效率令人失望，约为 16%。
　　由于合成 NFREA 的成本远低于合成 FREA，因此基于这些材料开发更高效的太阳能电池可能具有重要意义。具体而言，它可以促进有机太阳能电池的广泛采用，从而可能有助于减少排放和缓解环境问题。
　　上海交通大学、青岛大学和中国其他研究所的研究人员最近提出了一种基于 NFRAs 制造更高效有机太阳能电池的新方法。这种方法在《自然能源》杂志发表的一篇论文中概述，依赖于使用基于氯仿 (CF) 和邻二甲苯 (OXY) 的溶剂，以及进一步增强 NFRAs 结晶的固态添加剂，从而使基于这些化合物的太阳能电池具有更高的 PCE。
　　“非稠环电子受体 (NFREA) 的合成成本可能低于稠环电子受体，”Rui Zeng、Ming Zhang 及其同事在论文中写道。“然而，低主链平面性和大取代基的存在会对 NFREA 的结晶性产生不利影响，阻碍电荷传输和有机太阳能电池中双连续形态的形成。我们表明，二元溶剂系统可以单独控制供体聚合物（例如 D18）和 NFREA（例如 2BTh-2F-C 2）的结晶和相分离。”
　　材料和溶剂选择。a，D18、2BTh-2F-C2 和相关溶剂的化学结构。蓝色方框表示挥发性低且对聚合物供体溶解度低的溶剂；紫色方框表示挥发性高且对聚合物供体溶解度低的溶剂；绿色方框表示挥发性低且对聚合物供体溶解度高的溶剂；蓝紫色方框表示挥发性高且对聚合物供体溶解度高的溶剂。b，δv-δh 图中 D18 在不同溶剂中的溶解度（δh，分子氢键相互作用；δv，δV = √δ2 D + δ2 P ）。c，D18 在不同溶剂中的归一化吸收率。蓝色矩形表示 D18 在良溶剂中的吸收峰；紫色矩形表示 D18 在不良溶剂中的吸收峰。 d，基于蒸气压和溶解度的溶剂分类图。良好溶剂的RED指数小于1，位于溶解度球内；不良溶剂的RED指数大于1，RED数越大，溶解度越差。e，蒸气压与CF&OXY二元溶剂中体积分数的关系。实线垂直线代表溶剂混合物中OXY体积分数为12%时，上方虚线水平线代表12%-OXY溶剂混合物中CF蒸气压为142.26托，下方虚线水平线代表12%-OXY溶剂混合物中OXY蒸气压为0.41托。当OXY占溶剂混合物大部分时，CF和OXY的蒸气压均为4.88托，蒸发速率相同。 f–h，CF 条件 (f)、OXY 条件 (g) 和 CF&OXY 条件 (h) 下 D18:2BTh-2F-C2 混合前体溶液的原位紫外可见吸收光谱随时间变化的轮廓图。虚线和虚线框表示成膜过程中 CF、OXY 和 CF&OXY 基混合前体溶液中 D18 和 2BTh-2F-C2 的光谱变化时间。
　　作为研究的一部分，曾、张及其合作者首先设计并合成了一种含有 CF 和 OXY 的化合物混合物。然后，他们观察了供体聚合物和 NFREA 对这种溶剂混合物的反应，特别关注了这些化合物上薄膜的形成。
　　研究人员写道：“我们选择了 CF 和 OXY 等溶剂，它们在不同的温度和速率下蒸发，对供体聚合物 D18 具有不同的溶解度。”“氯仿蒸发后，D18 开始组装成原纤维。然后，邻二甲苯的蒸发会诱导原纤维网络的快速形成，该网络将 2BTh-2F-C 2相分离成纯域，并导致双连续形态。”
　　研究人员还在样品中加入了固态添加剂，即 1,4-二碘苯 (DIB)。在形成的光活性薄膜几乎已经干燥时，将该添加剂放入其中，以进一步增强 NFREA 的结晶性。
　　研究人员利用他们的方法开发了基于 NFREA 的新型太阳能电池，并在一系列初步测试中对其进行了评估。值得注意的是，他们发现，通过溶剂和添加剂实现的形态使小面积 (0.052cm 2 ) 电池的 PCE 达到 19.02%，1 cm 2设备的 PCE 达到 17.28%。
　　这项最新研究为基于 NFREA 的有机太阳能电池的制造开辟了新的可能性，这种电池的成本可能比基于 FREA 的电池低得多。该研究团队收集的有希望的发现可能很快会激发人们在这方面的进一步努力，并有可能为有机太阳能电池未来的商业化做出贡献。