研究背景
有機太陽能電池（OSCs）是一種基于有機半導(dǎo)體材料的光伏器件，因其重量輕、柔性可調(diào)、可通過卷對卷工藝制備大面積器件等特點，被廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)、光伏建筑一體化、便攜式能源等領(lǐng)域。與傳統(tǒng)的硅基太陽能電池相比，OSCs具有可溶液加工、低成本和優(yōu)異的機械柔性等優(yōu)點。然而，當前OSCs的能量損失較高，尤其是非富勒烯受體（NFA）的結(jié)晶性與熒光量子產(chǎn)率（PLQY）往往難以兼顧，導(dǎo)致電荷傳輸受限及非輻射復(fù)合損失增加，從而限制了器件的光電轉(zhuǎn)換效率。這一問題成為有機光伏領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)挑戰(zhàn)。為了解決這一問題，北京航空航天大學(xué)孫艷明教授課題組、宋佳利以及香港科技大學(xué)顏河教授課題組合作在“Nature Materials”期刊上發(fā)表了題為“Non-fullerene acceptors with high crystallinity and photoluminescence quantum yield enable >20% efficiency organic solar cells”的最新論文。他們通過在L8-BO受體的噻吩單元上不對稱地調(diào)整烷基鏈分支位置，成功設(shè)計并制備了兼具高結(jié)晶性和高PLQY的非富勒烯受體L8-BO-C4。研究表明，該受體在一側(cè)引入2-丁基辛基（2-butyloctyl），另一側(cè)引入4-丁基癸基（4-butyldecyl），優(yōu)化了分子堆積，提高了載流子傳輸能力，同時降低了非輻射復(fù)合損失。基于該材料的單結(jié)OSCs實現(xiàn)了20.42%的高光電轉(zhuǎn)換效率（認證值為20.1%），并獲得了0.894 V的開路電壓（Voc）和81.6%的填充因子（FF）。該研究揭示了烷基鏈分支位置調(diào)控策略在優(yōu)化NFA性能方面的重要性，為開發(fā)高效、低能量損失的有機光伏器件提供了新的思路。
研究亮點
（1）本研究首次通過在L8-BO受體的噻吩單元上不對稱地調(diào)整烷基鏈的分支位置，實現(xiàn)了對非富勒烯受體（NFA）結(jié)晶性和熒光量子產(chǎn)率（PLQY）的精準調(diào)控，得到了兼具高結(jié)晶性和高PLQY的L8-BO-C4材料。
通過在L8-BO受體的一側(cè)引入2-丁基辛基（2-butyloctyl），另一側(cè)引入4-丁基癸基（4-butyldecyl），成功調(diào)控了分子堆積和激子動力學(xué)，使材料同時具備高結(jié)晶性和高PLQY。
由于高結(jié)晶性有助于提升載流子遷移率，提高短路電流密度（Jsc）和填充因子（FF），而高PLQY有助于降低非輻射復(fù)合損失，提高開路電壓（Voc），該受體材料在單結(jié)有機太陽能電池（OSC）中展現(xiàn)出優(yōu)異的光伏性能。
- 具體而言，基于L8-BO-C4的OSC器件實現(xiàn)了20.42%的高光電轉(zhuǎn)換效率（經(jīng)認證為20.1%），并獲得了0.894 V的開路電壓和81.6%的填充因子。
圖文解讀
圖1. L8-BO-Cn+1化學(xué)結(jié)構(gòu)、物理化學(xué)性質(zhì)、器件性能以及PLQY比較圖。圖2. 受體材料的理論計算和分子動力學(xué)模擬。圖3. 受體材料的單晶分析和GIWAXS測試表征。
結(jié)論展望
本研究提出的不對稱烷基鏈分支位置調(diào)控策略，為高性能非富勒烯受體（NFA）的設(shè)計提供了新的思路。傳統(tǒng)上，提高NFA的結(jié)晶性往往會降低其熒光量子產(chǎn)率（PLQY），導(dǎo)致非輻射復(fù)合損失增加，從而限制有機太陽能電池（OSC）的效率。本研究通過精確調(diào)整L8-BO受體的烷基鏈分支位置，成功實現(xiàn)了高結(jié)晶性和高PLQY的兼顧，突破了二者之間的權(quán)衡關(guān)系。這一策略不僅提升了載流子傳輸能力，優(yōu)化了電荷提取效率，同時有效抑制了陷阱輔助復(fù)合，提高了光電轉(zhuǎn)換效率。進一步的研究表明，該方法可推廣至其他A–DA′D–A型非富勒烯受體，為未來NFA的分子工程設(shè)計提供了新的指導(dǎo)原則。 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
