海杰峰副教授课题组在有机太阳能电池方面研究进展

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近日，我院海杰峰副教授联合南京理工大学俞江升副研究员、东华大学胡华伟教授和南京大学陈尚尚教授在有机太阳能电池方面取得最新研究进展，在国际能源顶级期刊Advanced Functional Materials（SCI一区TOP期刊，影响因子19.924）上发表题为“High-Efficiency Organic Solar Cells Enabled by Chalcogen Containing Branched Chain Engineering: Balancing Short-Circuit Current and Open-Circuit Voltage, Enhancing Fill Factor”（DOI: 10.1002/adfm.202213429）的研究论文。桂林理工大学为第一完成单位和通讯单位，海杰峰副教授为论文第一作者兼通讯作者，该项研究得到广西自然科学基金、广西电磁化学功能物质重点实验室开放基金和广西高校中青年教师科研基础能力提升项目（2022KY0256）等多个项目的资助。

       有机太阳能电池（OSCs）由于其成本效应高、力学柔性、低温溶液加工等优点，已显示出作为清洁能源技术的巨大潜力。伴随科研人员在分子设计和器件工程方面的深入探索，单结OSCs的光电转化效率（PCE）已经超过了19%。聚合物给体和非富勒烯受体（NFAs）材料溶液共混制备体异质结（BHJ）活性层的形貌往往决定着激子解离、电荷收集和传输，同时过高的电荷复合会限制器件性能的进一步提升。结构有序、聚集可调、近红外吸光强的NFAs材料的能级、吸光以及共混层形貌对OSCs器件的电荷传输特性起决定作用。但是，适用于高效OSCs的NFA材料数量仍然有限，严重制约了OSCs的发展与应用。因此，探索开发新型高效NFAs变得尤为必要。
       本工作首次报道了含氧族元素支化侧链工程对基于NFA型OSC器件光伏性能调控。与对称烷氧/烷硫基支化侧链的NFAs分子（BTP-2O和BTP-2S）相比，具有一个烷氧侧链和一个烷硫基侧链的不对称NFA分子（BTP-O-S）展现出适中的吸光范围和前线分子轨道能级、适度的溶解度和结晶性。得益于增强的π-π堆积效应和提升的电荷传输，基于PM6:BTP-O-S的优化OSC器件，很好平衡了VOC（0.912 V）和JSC（24.5 mA cm-2），FF优化到0.775，其PCE达到17.3%，明显高于基于PM6:BTP-O（16.1%）和PM6:BTP-S（16.4%）的OSC器件，这是VOC超过0.9 V器件的最高效率之一。同时绿色溶剂制备基于PM6:BTP-O-S的器件效率也达到17.10%。该工作展示了一种通过协同烷氧基和烷硫基支化侧链减轻电压损失、提升FF获得高效OSCs的先进策略。
        海杰峰副教授课题组长期致力于能量转化方面的研究，并已在有机共轭半导体材料设计制备和电池应用方面取得了系列研究成果，包括应用于非掺杂钙钛矿太阳能电池的新型稠环缺电子核空穴传输层材料（Advanced Functional Materials 2021, 31, 2105458）；应用于OSCs和有机光探测器（OPDs）的不对称乙烯π桥修饰的NFA材料（Science China Chemistry 2023, 66, 242和Chemical Engineering Journal 2022, 430, 132830）；以及优化传输层电子传输性能获得高效OSC器件的溶剂-诱导抗聚集策略等（Advanced Energy Materials 2022, 2203009）。




基于含氧族元素支链修饰NFA分子的有机光伏器件性能参数和形貌表征


        相关论文链接：
        1. J. Hai,* Y. Song, L. Li, X. Liu, X. Shi, Z. Huang, G. Qian, Z. Lu, J. Yu,* H. Hu,* and S. Chen.* High-Efficiency Organic Solar Cells Enabled by Chalcogen Containing Branched Chain Engineering: Balancing Short-Circuit Current and Open-Circuit Voltage, Enhancing Fill Factor. Advanced Functional Materials 2023, DOI: 10.1002/adfm.202213429. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202213429
         2. X. Song,* Y. Song, H. Xu, S. Gao, Y. Wang, J. Li, J. Hai,* W. Liu,* W. Zhu.* Solvent-Induced Anti-Aggregation Evolution on Small Molecule Electron-Transporting Layer for Efficient, Scalable, and Robust Organic Solar Cells. Advanced Energy Materials 2023, 13, 2203009. https://doi.org/10.1002/aenm.202203009
         3. Z. Zhong, X. Liu, L. Li, Z. Han, Y. He, X. Xu, J. Hai,* R. Zhu, J. Yu.* An asymmetric A-D-π-A type non-fullerene acceptor enables high-detectivity near-infrared organic photodiodes. Science China Chemistry 2023, 66, 242. https://www.sciengine.com/SCC/doi/10.1007/s11426-022-1385-8
          4. Y. Song,# Z. Zhong,# L. Li, X. Liu, J. Huang, H. Wu, M. Li, Z. Lu, J. Yu, J. Hai.* Fused-heterocycle engineering on asymmetric non-fullerene acceptors enables organic solar cells approaching 29 mA/cm2 short-circuit current density. Chemical Engineering Journal 2022, 430, 132830. https://www.sciencedirect.com/sc ... 21044077?via%3Dihub
          5. J. Hai,# H. Wu,# X. Yin,#* J. Song, L. Hu, Y. Jin, L. Li, Z. Su, Z. Xu, H. Wang, Z. Li.* Dopant-Free Hole Transport Materials Based on a Large Conjugated Electron-Deficient Core for Efficient Perovskite Solar Cells. Advanced Functional Materials 2021, 31, 2105458. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.202105458
          文章来源：桂林理工大学
        海杰峰，男，回族，1986年出生于广西桂林，工学博士。现于桂林理工大学化学与生物工程学院电化学教研室从事教学和科研工作。主要从事有机聚合物光电材料的结构设计及其光伏性能的研究，目前主持一项广西自然科学青年基金，参与过多项国家自然科学基金，在SCI刊物上以第一作者和通讯作者发表七篇研究性论文，同时参与发表论文十多篇。