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研究亮点
- 背景简述：对于有机太阳能电池（OSCs）来说，要与 Shockley–Queisser 极限接轨，需要通过分子设计和器件工程同时降低能量损失以获得较高的开路电压，改善光利用以增强短路电流密度，并保持理想的纳米形态以获得较高的填充因子。
- 研究手法：研究团队设计并合成了一种具有链接苯基的非对称非富勒烯受体（Z8），以建立三元有机太阳能电池中的合金受体。非对称结构最小化了非辐射能量损失和由电子激子的电荷复合引起的现象。
- 影响效果：苯基取代的烷基侧链对分子间作用有影响，改善了薄膜纳米形态，使激子解离效率提高并减少了电荷复合。
- 研究成果：研究团队达成了基于 D18:Z8:L8-BO 三元混合物的有机太阳能电池，其效率为 20.2％（经认证为 19.8％）。
- 验证：通过理论计算，我们检验了光子和载流子损失的整体分布，并分析了在开路电压、短路电流密度和填充因子方面改善的潜力 。
引言
在有机太阳能电池（OSCs）的研究领域中，要达到与Shockley–Queisser极限相匹配的性能，需要通过精细的分子设计和器件工程来同时降低能量损失、提高开路电压、增强光电转换效率以及优化纳米结构。这项研究中，研究团队成功设计并合成了一种新型非对称非富勒烯受体Z8，其特点是具有链接苯基，这有助于在三元有机太阳能电池中形成合金受体，从而最小化非辐射能量损失和电荷复合。此外，苯基取代的烷基侧链对分子间作用产生了积极影响，改善了薄膜的纳米形态，提高了激子解离效率，并减少了电荷复合。这些改进导致了基于D18:Z8:L8-BO三元混合物的有机太阳能电池达到了20.2%的高效率，经过认证后为19.8%，并将研究成果发表在Nature Energy。通过理论计算，研究团队还检验了光子和载流子损失的整体分布，并分析了在开路电压、短路电流密度和填充因子方面的改进潜力，这些都是推动OSCs向前发展的关键因素。这项研究不仅展示了通过分子工程和器件设计可以显著提升有机太阳能电池性能的可能性，也为未来的研究提供了宝贵的参考。
研究团队透一种具有链接苯基的非对称非富勒烯受体（Z8），以建立三元有机太阳能电池中的合金受体。非对称结构最小化了非辐射能量损失和由电子激子的电荷复合引起的现象
- 改善结晶性和形态
增强结晶性：将Z8纳入D18：L8-BO混合物中导致结晶性增强，如更强的衍射强度和更窄的TI-TI堆叠峰所证实。
原文引述：“将Z型受体纳入D18：L8-BO有助于增强结晶性，如更强的（010）和（100）衍射强度和扩大的CCLs。” - 统计分析和长期稳定性
全面测试和分析：对30多个器件进行了测试，并包括了对它们性能的统计分析。最佳器件在氮气填充室内进行了持续照明下的最大功率点（MPP）跟踪的长期稳定性评估。
原文引述：“我们在这项研究中测试了30多个器件。我们对性能进行了统计分析，包含在手稿中。表1显示了最佳和平均效率以及标准偏差。最佳D18：Z8：L8-BO器件在最大功率点（MPP）跟踪下在氮气填充室内进行了持续照明的长期稳定性测试，如附录图18所示。” - 减少光子和载流子损失
高效的电荷管理：使用Z8作为NFA有助于减少光子和载流子损失，促进电荷转移并最小化电荷复合。
原文引述：“Z8中的连接苯基团可参与分子内和分子间相互作用，影响受体：受体和给体：受体的分子间相互作用。两种NFAs Z8和L8-BO可以形成合金受体，有助于通过与聚合物给体D18混合形成有利的纳米形态，包括适当的相分离、垂直组分分布和增强结晶度。
研究团队共采用以下6种方法来验证 D18:Z8:L8-BO 三元混合物的有机太阳能电池对于减少光子和载流子损失贡献
- 能量损失分析
- 载流子动态分析
- 载流子移动率测量
- 薄膜形态和结构分析
- 分子动力学模拟
- 光电性能测试
其中透过进行能量损失分析可以
- 深入了解高开路电压（Voc）
研究团队希望通过能量损耗分析来深入了解基于Z8的三元有机太阳能电池（OSCs）中实现的高开路电压（Voc）。这对于理解和优化太阳能电池的性能至关重要。 - 识别能量损耗的主要组成
能量损耗（Eloss）可以分为三部分：辐射损失（AE1）、带隙以下的辐射损失（AE2）和非辐射能量损失（AE3）。通过详细的能量损耗分析，研究团队可以识别这些组成部分，并针对性地进行优化。 - 减少能量无序和陷阱密度
研究结果表明，Z8的引入可以有效减少能量无序和陷阱密度，从而降低能量损失。这对于提高OSCs的整体性能至关重要。
研究团队为了深入了解基于Z8的三元有机太阳能电池（OSCs）中实现的高开路电压（Voc），进行了一项详细的能量损失（Eloss）分析。相关数据在底下中展示
计算了D18、D18和D18二元OSCs的能量损失（Eloss），分别为0.50、0.51和0.53 eV。对于D18:Z7和D18:Z8三元OSCs，Eloss值分别为0.52和0.51 eV。这些三元OSCs的能量损失低于基于D18的二元OSCs。
根据详细平衡理论，Eloss可以分为三部分：Eloss = q(AVsQ + AVr + AVnr)，其中AE1是带隙以上的辐射损失，来自于Shockley-Queisser（S-Q）极限；AE2和AE3分别是带隙以下的辐射和非辐射能量损失。研究中，AE1值为0.26-0.27 eV，二元OSCs的AE2值为0.06 eV，而Z8基三元OSCs的AE2值减小至0.05 eV，这归因于带尾态能量无序的减少。
能量损失（𝐸𝑙𝑜𝑠𝑠）可以分为三个部分：
∆E1：带隙（𝐸𝑔）与开路电压（𝑉𝑂𝐶）之间的差异，这部分损失与材料的带隙和开路电压有关。
∆E2：开路电压与辐射电压（𝑉𝑂𝐶𝑟𝑎𝑑）之间的差异，这部分损失与非辐射复合过程有关。
∆E3：辐射电压与实际电压（𝑉𝑂𝐶）之间的差异，这部分损失与载流子再结合和电荷提取效率有关。
在补充图21b-f中，D18:Z8显示出最低的Urbach能量（Eu）值为22.8 meV，表明引入Z8可以有效减少能量无序，不仅有助于降低Eloss，还能帮助减少陷阱密度和限制电荷复合。此外，阻抗和电容-电压测量结果显示，三元OSCs的陷阱密度（N）降低，其中基于D18:Z8的三元电池的陷阱密度最低，为6.33 x 10^21 m^-3。
Supplementary Figure 21展示了二元和三元有机太阳能电池（OSCs）的详细平衡效率损失。
(a) 展示了电致发光量子效率（EQEEL）的结果，用于计算能量损失中的∆E3部分。
(b-f) 展示了傅里叶转换光谱（FTPS-EQE）的结果，用于分析能量损失中的Urbach能量（Eu）。Urbach能量是从FTPS-EQE曲线中的指数拟合获得的，其公式为α(E) = α0 ∙ exp((E – Eg)/Eu)。
要获得傅里叶转换光谱（FTPS-EQE）的结果，用于分析能量损失中的Urbach能量（Eu）与 ∆E2时，研究团队采用了光焱科技Enlitech FTPS(PECT-600)智能型傅立叶变换光电流测试仪进行量测。
Urbach 能阶的定义是吸收随能量指数增加。吸收在吸收开始附近已知指数增加。
FTPS的软件可准确且具效率地取得Urbach能阶计算，跨越7 个数量级(10-5)。
FTPS 的工作原理
- 光源照射：各波长单色光源照射在待测样品后，产生光电流。
- 信号处理：光电流经过电流放大器并由 A/D 转换讯号撷取。
- 频谱分析：进行快速傅立叶变换进行光电流的频谱分析。
- 讯噪比提升：降低噪声、提升讯噪比，以有效侦测极弱的吸收讯号。
“FTPS Measurement” 量测流程，确认量测范围与间距后，即 开始进行 EQE 量测。
进阶量测-拟合功能说明
QE 数据导入>量测资料选择>Fitting 范围设置>
进行拟合计算>拟合计算结果显示于此 “Results”>可按“Save”进行数据保存
此研究使用各项论证并通过详细的理论计算，呈现了 OSCs 的光子和载流子损失的总体分布，分析了每个设备参数的改进潜力，这表明材料和设备的革新对进一步最小化光子和载流子损失至关重要。这些发现强调，光子损失和载流子损失应该得到社区的同等关注，这可能会推动 OSCs 的光伏性能向效率极限发展。
使用光焱科技Enlitech FTPS(PECT-600)智能型傅立叶变换光电流测试仪进行光伏研究刊载于顶刊中文章
- Nature Energy：由香港城市大学的 Alex Jen 教授发表的 “Redox mediator-stabilized wide-bandgap perovskites for monolithic perovskite-organic tandem solar cells”。
- Joule：由西湖大学工学院的王睿教授发表的 “Redox mediator-stabilized wide-bandgap perovskites for monolithic perovskite-organic tandem solar cells”。
光焱科技Enlitech FTPS系统设计及规格
