邱化玉团队在有机光伏器件效率突破方面取得最新进展

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近日，我校邱化玉团队在有机光伏器件效率突破方面取得最新进展，相关研究发表于著名国际期刊Advanced Energy Martials（IF = 29.698），论文题目为“Manipulating Charge Transfer and Transport via Intermediary Electron Acceptor Channels Enables 19.3% Efficiency Organic Photovoltaics”。
得益于高效光伏材料的开发和智能器件工程设计，有机光伏（OPVs)）得到了迅速的发展。基于精巧设计的Y-系列受体和多元策略，单结OPV的光电转换效率（PCE）已经达到19%，最佳填充因子(FFs)超过80%。然而，在OPV器件中，开路电压（Voc）和短路电流密度(Jsc)之间的权衡仍然是一个挑战。因此，Voc和Jsc的协同改进进一步提高OPV效率的关键。

电荷转移

       电荷转移(CT)状态不仅影响体系的能量损失（Eloss），而且影响光生载流子的产生效率。缩小CT状态(ECT)能级和最低激发态（ELE）能级之间的偏移（ΔELE-CT）可以降低激子猝灭回基态的概率，这有助于降低能损，实现更高Voc。然而，驱动力（能级之间的偏移，ΔELE-CT）的减弱对高Jsc的激子解离不利，反之亦然。同时，给体-受体(D-A)界面CT态的性质受活性层形貌的影响，而三元OPV（TOPV）被证明是一种有效的能级调控和形貌优化方法。为了设计高效的TOPV，我们一方面采取选取具有高发光效率的第三个组分来提升TOPV中的ECT，通过缓解的非辐射复合过程来获得更低的Eloss；另一方面将第三组分位于主D-A界面，通过产生的额外电荷传输通道来帮助激子解离，从而弥补提升CT态所带来的驱动力不足，使高Jsc，最终实现效率的突破。
       基于上述思想，我们选择具有不同末端和烷基侧链的对称-不对称非富勒烯受体构建TOPV。对称的L8-BO与PM6的相容性较好，而不对称BTP-S10与PM6的相容性较差，这使得BTP-S10主要位于主D/A界面上作为额外的电荷传输通道。同时，TOPV发光效率的提高和ΔELE-CT的降低有助于降低Eloss和提高Voc。此外，三元体系的激子寿命延长，电荷迁移率提高，电荷重组降低，有利于提高TOPV的Jsc。因此，基于PM6:L8-BO:BTP-S10的TOPV效率实现了Voc增加到0.898 V，Jsc提高到26.80 mA cm-2，FF高达80.22%，器件效率达到19.26%(认证为19.12%)，这是迄今为止报告的最高效率之一。该工作为协同提升Voc和Jsc提供了一种可行的三元策略设计，从而实现更高的效率突破。
        杭州师范大学材化学院占玲玲副研究员为论文的第一作者，占玲玲副研究员、尹守春教授及浙江大学陈红征教授为论文共同通讯作者，杭州师范大学为第一完成单位。该研究工作得到了国家自然科学基金及杭师大科研启动经费等项目的联合资助。


        作者简介
        占玲玲，博士，副研究员，硕士生导师。2019年7月于浙江大学取得博士学位。2019年至2021年在浙江大学进行博士后科研工作，研究方向为有机光伏材料优化以及器件工程。2021年入职杭州师范大学材化学院，近五年以第一或共同第一作者在Joule, Energy & Environmental Science, Advanced Materials, Advanced Energy Materials, Advances Science, Nature Communication, Journal of the American Chemical Society等国际核心期刊发表论文20余篇；授权中国专利6项。
论文链接 https://doi.org/10.1002/aenm.202201076


        文章来源：杭州师范大学
        邱化玉（Qiu, H.-Y.），男，1963年出生，博士，教授，博士研究生导师，浙江省高等学校特聘教授（钱江学者），浙江省“151”人才第一层次，山东省千名知名技术专家，享受国务院政府特殊津贴。1984年毕业于山东大学获理学学士学位；1987年在山东大学获理学硕士学位并留校工作；1992年考取山东大学化学学院物理化学专业的博士研究生，师从于中国科学院院士、著名理论化学家邓丛豪教授，1996年获理学博士学位，同年赴美国北达克他州立大学化学系做博士后研究工作；1994年10月破格晋升副教授，1998年11月破格晋升教授。2005年2月作为浙江省高等学校特聘教授（钱江学者）受聘到杭州师范大学工作至今，主要从事有机硅化学、有机及高分子功能材料等方面的研究。曾获山东省科技进步一等奖和二等奖等多项奖励。近年来主持国家“863”计划、国家自然科学基金、山东省中青年科学家奖励基金、山东省自然科学基金、浙江省高等学校特聘教授（钱江学者）基金、浙江省科技计划重点项目、国际合作项目等多项科研课题的研究工作。已在Chem. Eur. J, Chem. Asian J., J. Phys.Chem., Organometallics等期刊发表学术论文200余篇，被SCI、EI和ISTP收录的学术论文100余篇。申请发明专利40余项，已授权15项。