国家纳米科学中心周二军团队EES：通过协同材料设计调节分子间相互作用，实现具有1.3V开路电压的有机光伏

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前言回顾

探索有机光伏（OPV）的开路电压（VOC）上限很重要，这不仅有助于深入了解激子解离的机制，而且拓展了OPV在室内光伏、三元器件和串联器件中的应用。然而，VOC的增加通常是以牺牲JSC和PCE为代价的。当VOC达到1.3 V或更高时，OPV器件的功率转换效率（PCE）只能达到6%以下的低水平，因为在这种情况下，有效的激子解离成为一个巨大的挑战。

图1.不同器件性能比较与分子设计策略

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文献简介

有鉴于此，近日，国家纳米科学中心周二军研究员团队报道了一对精心设计的给体和受体材料，其在VOC高达1.3 V时能够实现有效的激子解离。研究人员合成的三元共聚物E18属于经典型给体聚合物D18的衍生物，其引入了20%比例的带有氯原子和庞大侧烷基链。而非富勒烯受体BTA3-4F则是BTA3的衍生物，其在A2-A1-D-A1-A2型分子的中间D单元的侧链上具有四个氟原子。BTA3-4F表现出与BTA3类似的电学和光学性质，吸收光谱略有蓝移，HOMO和LUMO能级下移，但其偶极矩较大，分子间相互作用和结晶度完全不同。值得一提的是，当与三元共聚物E18共混时，E18:BTA3-4F基薄膜表现出高结晶度和紧密平行的π-π堆叠，并且在共混膜中OOP方向上出现了一个新的衍射峰，该衍射峰位于qz=0.46Å-1处，类似于纯BTA3膜的衍射峰，这两者都表明BTA3-4F通过平衡A/A和D/A之间的分子间相互作用在共混膜中重构，形成有序分子堆叠和更纯的结构域。这有助于E18:BTA3-4F的相应共混膜中实现有效的激子解离和电荷传输，并且具有最佳的垂直相分离和更短的分子间堆叠距离。

图2.分子吸收，能级排列，器件结构与分子结构与相互作用

更重要的是，基于E18:BTA3-4F的器件在1.30 V的VOC下实现了10.03%的最高PCE，这主要是由于平衡的A/A、D/D和D/A相互作用诱导了高效快速的激子解离（平均PL寿命为658 ps）。然而，基于E18:BTA3的器件实现了4.98%的PCE，这是由于更大的陷阱辅助复合以及低效且缓慢的激子解离（平均PL寿命为905 ps）。我们的工作表明，在极限VOC高于1.3V的情况下，OPV性能的决定因素可能是平衡的A/A、D/D和D/A分子间相互作用，这可以通过给体和受体材料的协同和精确分子工程来实现。

图3.两种器件的光伏性能比较

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文献总结

综上，该工作提供了宽带隙材料设计指南，用以优化分子间相互作用，从而实现VOC为1.3 V或更高的OPV器件的有效激子解离。相关研究成果最新发表于国际顶级期刊《Energy & Environmental Science》上，题为“Modulating intermolecular interactions by collaborative material design to realize THF-processed organic photovoltaic with 1.3 V open-circuit voltage”。

本文关键词：有机光伏，开路电压，分子设计，激子解离。

转自：“有机钙钛矿光电前沿”微信公众号

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