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ACS Energy Letters(IF:23.991)UNIST 用于有机太阳能电池氰基取代的2-(3-Oxo-2,3-二氢茚-1-亚基)丙二腈端基的近红外电子受体 效率>18.1%

顶尖团队的选择

要点总结

  1. 氰基取代的2-(3-草酰-2,3-二氢吲哚-1-基)丙烯腈(CN-IC)端基团具强吸电子能力,可缩小受体材料的带隙。
  2. 采用CN-IC端基团的A-DA’D-A型受体材料BTPCN的光学带隙降至1.29电子伏特,比Y5-BO参考受体材料降低0.12电子伏特。
  3. 以PTTzF为供体,BTPCN为受体的有机太阳能电池功率转换效率达18.1%。

研究成果

韩国蔚山科学技术院UNIST Changduk Yang教授和华南理工大学Chunhui Duan教授团队设计出一系列A-DA’D-A型构型的近红外小分子受体材料BTPCN。其中A代表两个芳香环系,D和D’为噻吩诱导体。关键是选用氰基取代的2-(3-草酰-2,3-二氢吲哚-1-基)丙烯腈(CN-IC)作为端基团。根据实验证据,CN-IC端基团具有目前所有报道端基团中的吸电子能力。

研究人员比较了采用CN-IC和常规Y5端基团的受体材料BTPCN和Y5-BO的性能。结果显示,CN-IC端基团的光学带隙降至1.29电子伏特,比Y5端基团的光学带隙1.41电子伏特缩小0.12电子伏特。这使BTPCN材料能吸收更多近红外光,有利于扩大吸收范围。此外,CN-IC端基团也使BTPCN材料保持了相对更深的最高占据分子轨道能级分布。

团队运用含CN-IC端基团的BTPCN材料与高效的PTTzF聚合物供体构建太阳电池,测试结果显示可实现18.1%的功率转换效率。该效率值较采用Y5端基团受体材料的类似电池提升明显。

本研究证明了CN-IC端基团在设计高效近红外有机太阳能电池受体材料方面的优势。CN-IC端基团能同时实现光学带隙的缩小和分子能级匹配效果,是构建高效太阳电池的有效策略。未来通过简化CN-IC端基团的合成路线,可望实现其在高效太阳电池中的大规模应用。

研究背景

有机太阳能电池具有转换效率高、制作成本低的优点,被视为未来清洁可再生能源转换的重要选择。要实现有机太阳能电池的商业化,关键在于设计高效的光电活性材料。尤其是能吸收近红外光的电子受体材料极为重要,它能扩大材料光吸收范围,提高电池转换效率。目前A-D-A型小分子和聚合物常被用作近红外领域受体材料,而优化其分子端基团被认为是提升性能的有效策略。

蔚山科学技术院位于有着韩国工业首都之称的蔚山广域市,是韩国四大国立科学技术院之一,成立至今一直致力于发展成为韩国优秀的国立大学乃至引领世界的理工类大学。蔚山科学技术院UNIST于2019年安装了Enlitech QE-R量子效率系统,在2020年8月、2022年1月、2022年12月连续在NREL研究电池效率排行榜的钙钛矿太阳能电池项目上刷新记录,分别达到25.5%、25.7%和25.8%的转换效率。

2020年1月,UNIST在Enlitech REPS设备的协助下强化了开路电压损耗,创下24.8%的钙钛矿太阳能电池转化效率世界纪录,是亚洲区顶尖的光伏研究机构。

研究人员比较了采用CN-IC和常规Y5端基团的受体材料BTPCN和Y5-BO的性能。结果显示,CN-IC端基团的光学带隙降至1.29电子伏特,比Y5端基团的光学带隙1.41电子伏特缩小0.12电子伏特。这使BTPCN材料能吸收更多近红外光,有利于扩大吸收范围。此外,CN-IC端基团也使BTPCN材料保持了相对更深的最高占据分子轨道能级分布。

团队运用含CN-IC端基团的BTPCN材料与高效的PTTzF聚合物供体构建太阳电池,测试结果显示可实现18.1%的功率转换效率。该效率值较采用Y5端基团受体材料的类似电池提升明显。

本研究证明了CN-IC端基团在设计高效近红外有机太阳能电池受体材料方面的优势。CN-IC端基团能同时实现光学带隙的缩小和分子能级匹配效果,是构建高效太阳电池的有效策略。未来通过简化CN-IC端基团的合成路线,可望实现其在高效太阳电池中的大规模应用。

研究方法

  1. 合成路线:团队从商业公司购买Br-IC和BTP-EH前体,经过一系列反应合成出CN-IC端基团。再与BTP-EH在酸催化下缩合,合成出目标物BTPCN-EH。BTPCN-BO和BTPCN-HD的合成路线与此类似。
  2. 光谱分析:利用1H NMR、13C NMR确认了CN-IC和三种BTPCN受体材料的化学结构。应用紫外可见吸收光谱比较了材料的光学性质。
  3. 理论计算:采用DFT方法对端基团进行几何优化,并计算了分子轨道及静电势分布。结果显示CN-IC端基团具较强吸电子能力。
  4. 循环伏安测定:通过CV曲线确定了材料的能级分布情况。CN-IC端基团有助缩小能隙而保持深层能级。
  5. 电池制备:精确调控供体与受体比例、溶剂添加剂、热处理等条件,优化了太阳能电池的有机活性层。
  6. 效率测试:在AM1.5G光照下,测试了采用PTTzF聚合物与三种BTPCN受体的有机太阳能电池效率,其中BTPCN-EH系统达到18.1%。

精准量测仪器

UNIST 在2019年安装了Enlitech的QE-R量子效率系统,在短时间内,UNIST 打破了钙钛矿太阳能电池的世界纪录,2020年UNIST 在NREL的排行榜上被注记上经过认证的25.5%钙钛矿太阳能电池的殊荣。Enlitech的QE-R PV/太阳能电池量子效率光学仪是相当畅销与值得信赖的QE/IPCE系统,可提供各种太阳能电池精准的EQE检测数据,波长范围分别300~1100nm、300~1800nm;300~2500nm或定制化可选,也可定制化各种定制的样品测试夹具,整体结构设计紧凑,拥有手套箱集成能力,系统内具备有双锁像放大器,可同时监控光功率与设备信号,量测重复性超过99.5%,是许多一流光伏实验室选择。搭配Enlitech自主开发的自动化检查软件,使其IPCE、IQE和光谱响应数据的检测准确快速。Enlitech是唯一一家通过ISO 17025量子效率校准和检测认证的量子效率系统制造商,所研发设备符合ATSM E 1021-15、ASTM E948、IEC 60904-8、IEC 60904-7、IEC 60904-1等规范,其中经ISO/IEC 17025认可的期刊论文可提交EQE不确定性评估报告和质量控制。

全球已安装近千套QE-R量子效率光学仪,包含全球各地500多个优秀太阳能电池研究实验室采用,近10年发表SCI论文1000余篇,包括Nature、Science、Joule、Advanced Materials等多家旗舰期刊。

QE-R量子效率系统提供的量子效率信息通常被太阳能电池的研究人员用来说明和研究器件设计、器件性能、制程改进、材料带隙、杂质或陷阱。由于QE-R量子效率系统的高重复性和准确性,计量工程师也使用QE-R量子效率系统进行光谱失配计算和太阳能电池转换效率的不确定性评估。

结论

是次研究设计出了具有氰基取代的吲哚丙烯腈端基团的新型A-DA’D-A受体材料。这类材料固有强吸电子能力,可实现更窄的光学带隙,并保持深层能级分布,有利于光电转换。运用该受体材料制备的有机太阳能电池效率可达18.1%,突破目前水平。该成果为开发高效率有机太阳能电池提供了新思路。

推荐仪器

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