北航Nature Materials：有机太阳能电池!
米测MeLab
2025-02-21
研究背景
有机太阳能电池（OSCs）是一种基于有机半导体材料的光伏器件，因其重量轻、柔性可调、可通过卷对卷工艺制备大面积器件等特点，被广泛应用于物联网、光伏建筑一体化、便携式能源等领域。与传统的硅基太阳能电池相比，OSCs具有可溶液加工、低成本和优异的机械柔性等优点。然而，当前OSCs的能量损失较高，尤其是非富勒烯受体（NFA）的结晶性与荧光量子产率（PLQY）往往难以兼顾，导致电荷传输受限及非辐射复合损失增加，从而限制了器件的光电转换效率。这一问题成为有机光伏领域亟待解决的关键科学挑战。为了解决这一问题，北京航空航天大学孙艳明教授课题组、宋佳利以及香港科技大学颜河教授课题组合作在“Nature Materials”期刊上发表了题为“Non-fullerene acceptors with high crystallinity and photoluminescence quantum yield enable >20% efficiency organic solar cells”的最新论文。他们通过在L8-BO受体的噻吩单元上不对称地调整烷基链分支位置，成功设计并制备了兼具高结晶性和高PLQY的非富勒烯受体L8-BO-C4。研究表明，该受体在一侧引入2-丁基辛基（2-butyloctyl），另一侧引入4-丁基癸基（4-butyldecyl），优化了分子堆积，提高了载流子传输能力，同时降低了非辐射复合损失。基于该材料的单结OSCs实现了20.42%的高光电转换效率（认证值为20.1%），并获得了0.894 V的开路电压（Voc）和81.6%的填充因子（FF）。该研究揭示了烷基链分支位置调控策略在优化NFA性能方面的重要性，为开发高效、低能量损失的有机光伏器件提供了新的思路。
研究亮点
（1）本研究首次通过在L8-BO受体的噻吩单元上不对称地调整烷基链的分支位置，实现了对非富勒烯受体（NFA）结晶性和荧光量子产率（PLQY）的精准调控，得到了兼具高结晶性和高PLQY的L8-BO-C4材料。
通过在L8-BO受体的一侧引入2-丁基辛基（2-butyloctyl），另一侧引入4-丁基癸基（4-butyldecyl），成功调控了分子堆积和激子动力学，使材料同时具备高结晶性和高PLQY。
由于高结晶性有助于提升载流子迁移率，提高短路电流密度（Jsc）和填充因子（FF），而高PLQY有助于降低非辐射复合损失，提高开路电压（Voc），该受体材料在单结有机太阳能电池（OSC）中展现出优异的光伏性能。
- 具体而言，基于L8-BO-C4的OSC器件实现了20.42%的高光电转换效率（经认证为20.1%），并获得了0.894 V的开路电压和81.6%的填充因子。
图文解读
图1. L8-BO-Cn+1化学结构、物理化学性质、器件性能以及PLQY比较图。图3. 受体材料的单晶分析和GIWAXS测试表征。
结论展望
本研究提出的不对称烷基链分支位置调控策略，为高性能非富勒烯受体（NFA）的设计提供了新的思路。传统上，提高NFA的结晶性往往会降低其荧光量子产率（PLQY），导致非辐射复合损失增加，从而限制有机太阳能电池（OSC）的效率。本研究通过精确调整L8-BO受体的烷基链分支位置，成功实现了高结晶性和高PLQY的兼顾，突破了二者之间的权衡关系。这一策略不仅提升了载流子传输能力，优化了电荷提取效率，同时有效抑制了陷阱辅助复合，提高了光电转换效率。进一步的研究表明，该方法可推广至其他A–DA′D–A型非富勒烯受体，为未来NFA的分子工程设计提供了新的指导原则。 Li, C., Song, J., Lai, H. et al. Non-fullerene acceptors with high crystallinity and photoluminescence quantum yield enable >20% efficiency organic solar cells. Nat. Mater. (2025).https://doi.org/10.1038/s41563-024-02087-5
