AEM.侯劍輝團(tuán)隊改善 VOC 耗損突破有機(jī)光伏電池效率

發(fā)表時間：2024/6/11 14:04:08

有機(jī)光伏電池（OPVs）以其輕薄、柔性、可印刷等優(yōu)勢，在過去幾年中吸引了廣泛的關(guān)注。然而，OPVs 的效率和穩(wěn)定性仍然落后于傳統(tǒng)硅太陽能電池。提高受體材料的電致發(fā)光效率，可以有效降低非輻射能量損失，進(jìn)一步提升有機(jī)光伏電池的性能。

中國科學(xué)院化學(xué)研究所侯建輝教授團(tuán)隊近期取得重大突破，通過在受體材料中引入吡咯環(huán)，成功合成出具有高電致發(fā)光性能的兩種中等帶隙受體材料：FICC-EH 和 FICC-BO。該研究成果發(fā)表在國際頂尖期刊《Advanced Energy Materials》上。

吡咯環(huán)：提升電致發(fā)光的關(guān)鍵

吡咯環(huán)是一種有前景的構(gòu)建單元，其為一種含氮雜環(huán)化合物，因共軛結(jié)構(gòu)而形成較高的穩(wěn)定性和電子遷移率，可以有效提升受體材料的電致發(fā)光性能; 另外，吡咯可以聚合形成聚吡咯，此導(dǎo)電聚合物，具有良好的電導(dǎo)率和環(huán)境穩(wěn)定性。而其通過化學(xué)修飾或摻雜，電學(xué)和光學(xué)性能可以得到顯著調(diào)整，進(jìn)而增加了在不同應(yīng)用中的靈活性。然而，目前很少有研究報道基于吡咯的中等帶隙受體材料。侯劍輝團(tuán)隊的研究成果，為有機(jī)光伏電池的發(fā)展提供了新的思路。

高電致發(fā)光性能的受體材料
侯劍輝團(tuán)隊合成的兩種受體材料 FICC-EH 和 FICC-BO，都表現(xiàn)出強(qiáng)烈的電致發(fā)光特性，在有機(jī)發(fā)光二極體 (OLEDs) 中取得了 0.1% 的量子效率 (QE)，這表明它們具有良好的電致發(fā)光性能。

Voc 耗損對于器件效率提升的關(guān)聯(lián)性

本研究使用光焱科技設(shè)備

提升器件效率的關(guān)鍵策略

研究團(tuán)隊通過優(yōu)化受體材料的分子結(jié)構(gòu)和薄膜形貌，進(jìn)一步提高了器件的效率和穩(wěn)定性。

l更長的烷基鏈： FICC-BO 具有更長的烷基鏈，這使得薄膜形成過程更加緩慢，有利于形成更清晰的纖維網(wǎng)路形貌和有序的分子堆疊，從而提高了載流子遷移率，抑制了電荷重組。

l降低能量損失：由于電致發(fā)光效率的提高，減少了非輻射能量損失，PBQx-TF:FICC-BO 基礎(chǔ)的 OPV 電池在 AM 1.5G 下的能量轉(zhuǎn)換效率 (PCE) 達(dá)到 12.0%，開路電壓 (VOC) 為 1.04 V，在 1000 lux LED 照明下，PCE 達(dá)到 25.4%。

Voc 耗損對于器件效率提升的關(guān)聯(lián)性

開路電壓 (VOC) 是衡量太陽能電池性能的重要指標(biāo)之一，它代表著電池在沒有電流輸出的情況下所能達(dá)到的電壓值。VOC 耗損是指器件的實際 VOC 與理論 VOC 之間的差距，它主要由材料的能級排列、界面重組以及熱損失等因素引起。

降低 Voc 耗損可以有效提高器件的能量轉(zhuǎn)換效率，而提高受體材料的電致發(fā)光效率可以有效降低 Voc 耗損。這是因為，電致發(fā)光效率高的受體材料，其非輻射重組損失較少，從而可以有效降低 Voc 耗損。在該研究中，FICC-BO 的高電致發(fā)光效率，有效地降低了 Voc 耗損，最終使器件的開路電壓達(dá)到 1.04 V。

侯劍輝團(tuán)隊在研究中使用了光焱科技 (Enlitech) 的多款設(shè)備，為其研究提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

lSS-X50 AM1.5G 太陽光模擬器：該設(shè)備可以模擬真實的太陽光譜，為有機(jī)光伏電池提供標(biāo)準(zhǔn)的測試環(huán)境，確保測試結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

lQE-R 光伏/太陽能電池量子效率量測方案：該設(shè)備可以測量不同波長光照下器件的外部量子效率 (EQE)，幫助研究人員分析光電轉(zhuǎn)換過程，優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)和材料選擇。

lREPS 鈣鈦礦與有機(jī)光伏 Voc 損耗分析系統(tǒng)：該設(shè)備可以分析器件的 Voc 損失，幫助研究人員了解器件性能的瓶頸，找到提升效率的方案。

lFTPS 傅立葉轉(zhuǎn)換光電流測試儀 (FTPS) / 高靈敏度外量子效率 (HS-EQE)：該設(shè)備可以測量器件的光電流譜，幫助研究人員分析器件的電荷傳輸和重組過程。

本文參數(shù)圖:

Fig. S12_ 外部量子效率 (EQE) 譜、歸一化的電致發(fā)光 (EL) 譜以及電致發(fā)光外部量子效率 (EQEEL) 。展示了兩種材料混合薄膜的光電轉(zhuǎn)換效率和電致發(fā)光性能。可以幫助評估器件的整體性能，并分析電致發(fā)光效率對器件性能的影響。*本數(shù)