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摘要
NFAs是近年来在有机太阳能电池领域崭露头角的一个新类别。非富勒烯指的是不属于富勒烯类型的碳材料，富勒烯是一种由碳原子构成的分子结构，具有球形或管状的形态。相比之下，非富勒烯则是指那些不具有这种球形或管状结构的碳材料。
非富勒烯有机太阳能电池（NFAs）是指利用非富勒烯类型的有机材料作为电子受体的太阳能电池。传统的有机太阳能电池通常使用富勒烯作为电子受体，但富勒烯材料具有合成难度高、成本昂贵、光吸收范围有限等缺点，限制了太阳能电池的性能和应用。
因此，为了克服这些缺点，研究人员开始寻找更具有潜力的替代材料，并发现非富勒烯有机材料具有较好的光电性能和合成可控性。利用这些非富勒烯有机材料作为电子受体，可以扩展太阳能电池的吸收光谱、提高光电转换效率、增强稳定性和降低成本，因此非富勒烯有机太阳能电池成为了一个具有重要应用价值和发展潜力的研究领域。
论文的关键发现
非富勒烯受体（NFAs）的广泛发展，使得 OSCs 能够吸收近红外光，同时不牺牲输出电压，从而显著提升了功率转换效率（PCE），甚至突破了 19% 的里程碑。然而，要进一步提升 PCE，必须克服有机半导体的低介电常数（εr）的限制。
介电常数反映了材料储存电场的能力。在太阳能电池的光电转换过程中，光照会在材料中产生库仑束缚的电子–空穴对（激子）。激子的结合能（Eb）对 εr 非常敏感，一般认为 Eb ∝ 1/εr。当 εr 从 3 提升到 4 时，某些 OSC 系统的 Eb 会降低约 80 meV，这会导致激子/载流子的动能增加，从而加速激子的解离和电荷传输。传统的无机太阳能电池半导体，例如硅（~12）和砷化镓（~12），具有较高的 εr，而新兴的有机/无机杂化钙钛矿太阳能电池的 εr 甚至可以达到约 30，这使得激子在产生后会自发分离。相比之下，OSCs 半导体通常的 εr 为 3-4，这是导致 OSCs 非辐射性复合损失较高的主要原因之一。值得注意的是，一些研究通过在有机骨架上添加极化的侧链，例如寡聚（乙二醇）和氰基，或者在有机薄膜中添加额外的极性物质，将 εr 提高到 5 以上。然而，这些方法可能会显著改变分子的几何形状和溶解度。
在非富勒烯受体中，用硒取代硫已被广泛采用，以将光吸收范围扩展到近红外区域。硒的电负性较低（2.4）且原子半径更大，使其具有更易极化的表面，从而促进 NFAs 的分子间相互作用。因此，我们猜想，将硫原子用更强的供电子基团硒原子取代二噻吩并苯并噻二唑 NFA 核心外围的噻吩环，可以增加分子的偶极矩。这些分子周期性堆栈将增强总偶极矩，从而提高材料整体的 εr。值得注意的是，与传统的通过在骨架上添加极性片段或在有机薄膜中添加极性物质来提高 εr 的策略相比，在中心核心上进行硒取代并不会显著改变分子的结构和几何形状。
研究成果
在这个研究中，香港大学电机及电子工程系 Wallace C. H. Choy 教授领导的研究团队，以及香港城市大学化学系 Alex K.-Y. Jen 教授团队，首次探究了硒取代对 NFA 介电常数的影响，以及相关的电学和形态演变。他们在 NFA 中心核心的最外层噻吩环上进行了双硒取代，这导致了偶极矩的显著增加。相应的硒取代 NFA（T9SBO-F）的薄膜呈现出明显增强的 εr，达到 5.04。当与聚合物供体混合时，电洞转移时间从约 10 ps 缩短到约 5 ps，这主要归因于 εr 的增强和 Eb 的降低。
然而，令人惊讶的是，硒取代的混合物在光激发后几百皮秒呈现出更快的电荷复合速率，这与高 εr 材料中分离的电荷更难复合的直觉相反。这被认为是由于 T9SBO-F 分子排列比较混乱导致的。混乱的排列增加了解离电荷复合的机会。因此，基于 PM6:T9SBO-F 的器件的 PCE 为 18.4%。
令人鼓舞的是，将 T9SBO-F 分散到另一个 OSC 系统 PM6:L8-BO 中，可以调节其堆栈行为，同时保持增强的 εr，从而实现电洞转移时间缩短至约 7 ps，并抑制双分子复合。结果，PM6:L8-BO:T9SBO-F 器件的 PCE 达到了 19.0%，非辐射性复合损失降低至 0.221 eV。总之，设计高 εr 的 NFAs 而不改变其分子几何形状，同时调节其形态，为高性能 OSCs 开辟了一条新路。
在这个研究中，研究团队使用了光焱科技 (enlitech) 的两项关键设备：太阳光仿真器 (SS-F5-3A) 和量子效率测试系统 (QE-R)。太阳光仿真器用于仿真 AM1.5G 标准光谱，以进行 IV 曲线测试。而量子效率测试系统则用于测量 EQE 曲线，以评估器件的光电转换效率。光焱科技的产品协助研究团队进行了精准的测试和数据分析，并取得了重要的研究成果。
Fig. 1 | Chemical structure, electrical and photovoltaic properties. The electrostatic surface potential contour of NFA a L8-BO and b T9SBO-F. The scale bar is from −1.28 (red) to 1.28 eV (blue), Dmeans Debye. c Chemical structure of T9SBOF. d εr of the organic films. e J–V curve and f external quantum efficiency (EQE) spectra of the devices. The ratio shown in the Figures is PM6:L8-BO:T9SBO-Fmass ratio. Source data are provided as a Source Data file.
研究展望
这项研究揭示了硒取代在非富勒烯有机太阳能电池中提升介电常数的潜力，以及其对电洞转移和器件性能的影响。研究团队通过精细的材料设计和器件优化，成功降低了非辐射性复合损失，并提升了器件效率。这为未来开发更高效、更稳定且成本更低廉的有机太阳能电池提供了新的方向。
原文出處
nature communications, Published: 07 March 2024
