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研究亮點:
1. 厘清了OPV中電荷復(fù)合形成三線態(tài)激子的地位。
2. 發(fā)展了一種雜化策略,可以有效抑制非輻射損耗路徑,為有機太陽能電池效率提高到20%以上帶來了新的希望。
自1958年第一個有機太陽能電池誕生以來,如何提高其光電轉(zhuǎn)換效率是始終困擾科學家的關(guān)鍵難題。近十年來,雖然有機太陽能電池的效率已經(jīng)從5%提高的18%左右,但是,和其他各種光伏電池技術(shù)中,有機光伏電池的效率低下依然是一個短板。
從基礎(chǔ)研究的角度來講,一個根本的原因就在于有機材料的電荷遷移率低,導致活性層厚度的限制,光吸收效率不足。2018年,南開大學陳永勝、萬相見團隊和國家納米科學中心丁黎明團隊合作,在Science報道了 一種溶液制程的兩端疊層有機光伏電池,以17.29%的認證效率刷新了有機太陽能電池的紀錄!
然而,有機太陽能電池的效率仍然低于無機太陽能電池,后者的功率轉(zhuǎn)換效率通常超過20%。這種差異的一個關(guān)鍵原因是有機太陽能電池相對于其光學帶隙具有較低的開路電壓,這是由于非輻射復(fù)合 所導致。為了使有機太陽能電池在效率方面與無機太陽能電池競爭,必須確定和抑制非輻射損耗路徑。
有鑒于此,劍橋大學Richard H. Friend,Alexander J. Gillett, 加州大學圣巴巴拉分校Thuc-Quyen Nguyen以及蒙斯埃諾大學David Beljonne 等人對此進行了深入研究,他們發(fā)展了一種雜化策略,可以有效抑制非輻射損耗路徑,為有機太陽能電池效率提高到20%以上提供了新的思路。
給整個研究領(lǐng)域帶來希望,或許這就是為什么,這項研究能登上Nature的原因!
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圖1. 三線態(tài)形成路徑以及有機太陽能電池材料
研究表明,在大多數(shù)使用非富勒烯受體 (NFA) 的有機太陽能電池中,開路條件下的大部分電荷復(fù)合是通過形成非發(fā)射 NFA 三重態(tài)激子進行的;在基準PM6:Y6共混物中,該比例達到 90%,將開路電壓降低 60 mV。
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圖2. 三線態(tài)形成的譜學研究
通過設(shè)計NFA三重態(tài)激子和自旋-三重態(tài)電荷轉(zhuǎn)移激子之間的大量雜化來防止通過這種非輻射路徑進行復(fù)合。建模表明,從自旋三線態(tài)電荷轉(zhuǎn)移激子到分子三線態(tài)激子的反向電荷轉(zhuǎn)移率可能會降低一個數(shù)量級,從而能夠重新離解自旋三線態(tài)電荷轉(zhuǎn)移激子。
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圖3. 雜化的作用
研究人員展示了 NFA 系統(tǒng),其中三重態(tài)激子的形成受到抑制。因此,這項工作為具有20%或更高功率轉(zhuǎn)換效率的有機太陽能電池提供了設(shè)計途徑。
參考文獻:
Gillett, A.J., Privitera, A., Dilmurat, R. et al. The role of charge recombination to triplet excitons in organic solar cells. Nature 597, 666–671 (2021).
https://doi.org/10.1038/s41586-021-03840-5
(責任編輯:子蕊)
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