Nat. Commun.：香港理工大学李刚与UCLA杨阳团队利用新策略实现二元有机电池19.31%高效率和降低非辐射重组损失
顶尖团队的选择
重点摘要
- 香港理工大学李刚与美国UCLA 杨阳团队发展了一种非单调中间态操控策略来同时优化非富勒烯有机太阳能电池的晶化动力学和能量损失。
- 这种策略通过使用1,3,5-三氯苯作为晶化调节剂，可以诱导活性层的形态学首先增强后再缓和的非单调中间态过渡。
- 在PM6:BTP-eC9 有机太阳能电池中，该策略实现了19.31%的效率；在PM1:BTP-eC9有机太阳能电池中，非辐射重组合能量损失降低至0.168eV（19.10%效率），为未来有机太阳能电池研究提供了巨大的潜力。
研究背景
非富勒烯受体有机太阳能电池代表了该领域的前沿，得益于材料和形态学调控的创新。非辐射重组损失的抑制和性能提升是有机太阳能电池研究的核心。过去常规的溶剂添加剂如1,8-二碘辛烷虽可提高非富勒烯受体的结晶性，但也会导致受体过度聚集，增加非辐射重组损失。开发新的形态调控技术同时优化D:A的自组装和降低非辐射重组已成为当务之急。本文利用1,3,5-三氯苯作为晶化调节剂，通过调控薄膜形成过程实现先聚集后缓解的非单调中间态转变，以同时实现有机太阳能电池的效率提升和非辐射重组损失的降低。
研究成果
本文研究团队开发了一种非单调中间态操控策略，通过在PM6:BTP-eC9二元有机太阳能电池中应用该策略，实现了19.31%的效率(18.93%认证)，创下了二元有机太阳能电池的最高纪录。同时，PM6:BTP-eC9系统的非辐射重组合能量损失很低，只有0.190 eV。在PM1:BTP-eC9有机太阳能电池中，进一步实现了19.10%的效率和0.168 eV的非辐射重组合损失。此外，该策略展示了良好的通用性，在多个有机太阳能电池系统中都取得了优于常规1,8-二碘辛烷处理的效果。该策略不仅提高了效率，也改善了光稳定性。本研究为降低有机太阳能电池的非辐射重组损失、释放新兴非富勒烯材料的潜力提供了新途径。
研究方法
- 利用差示扫描量热法、热重分析、原位GIWAXS等手段研究了三氯苯与活性材料的交互作用。
- 测试了三氯苯处理对有机太阳能电池性能的影响。
- 利用空间电荷限制电流法、暂态光压法等手段研究了三氯苯处理后的电荷传输和重组动力学。
- 通过原位UV-Vis反射光谱和GIWAXS等手段研究了三氯苯诱导的非单调中间态转变。
- 计算并分析了三氯苯处理前后的有机太阳能电池各项损失。
- 在多个有机太阳能电池系统中验证了该方法的通用性。
- 测试了三氯苯处理对有机太阳能电池光稳定性的影响
结论
研究中使用了一种新策略，使用1,3,5-三氯苯来优化有机太阳能电池。这策略改善了薄膜结晶过程，控制了分子聚集，成功提高了有机太阳能电池的效率，也减少了非辐射复合损失，为未来的研究提供了潜力。
Fig. 2 具有 DIO 和 TCB 处理功能的 OSC 的器件性能。
Fig. 4 原位紫外-可见表征。
Fig. 6 TCB的通用性以及V_{oc} 损失和光稳定性分析。
