我國(guó)研究出兼具高效率、低成本、高穩(wěn)定的n-型光伏材料

近年來(lái)，得益于非富勒烯受體的發(fā)展，有機(jī)太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率取得重大突破。然而，同時(shí)兼具高穩(wěn)定性、低成本和高效率的有機(jī)光伏材料與器件仍具挑戰(zhàn)，成為其商業(yè)化應(yīng)用的制約瓶頸。

在國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部和中國(guó)科學(xué)院的支持下，中科院化學(xué)研究所有機(jī)固體院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員朱曉張課題組在n-型光伏材料與器件研究方面開(kāi)展深入研究，發(fā)展了系列高性能光伏受體材料，并構(gòu)筑了系列高性能光伏器件。

基于在n-型光伏材料的設(shè)計(jì)、合成及器件應(yīng)用方面的積累，受到高遷移率稠環(huán)有機(jī)半導(dǎo)體成功設(shè)計(jì)的啟發(fā)，該課題組在2021年提出了“全稠環(huán)電子受體（AFAR）”的設(shè)計(jì)概念，發(fā)展了高穩(wěn)定性的光伏受體材料，其表現(xiàn)出更低的分子重組能和優(yōu)異的化學(xué)、光化學(xué)及熱穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)了接近10%的效率，相關(guān)成果發(fā)表在CCS Chem.（2021， 3， 1070–1080）上。

最近，他們通過(guò)引入基于苯并噻二唑的核心骨架，發(fā)展了新的全稠環(huán)電子受體材料（F-受體），實(shí)現(xiàn)了近紅外響應(yīng)性。為了解決非富勒烯受體的宏量制備問(wèn)題，研究人員利用高效分子內(nèi)雙C-H活化/環(huán)化方法開(kāi)發(fā)了一套完整的合成路線，實(shí)現(xiàn)了一天內(nèi)10克級(jí)材料的宏量制備。與目前報(bào)道的非富勒烯受體相比，其表現(xiàn)出更低的合成成本（與P3HT的成本相當(dāng)）。研究表明，F(xiàn)-受體具有比主流3-（二氰基亞甲基）靛酮（ICNC）類受體更加優(yōu)異的薄膜穩(wěn)定性。單晶X射線結(jié)構(gòu)分析表明，F(xiàn)-受體具有三維蜂窩型堆積結(jié)構(gòu)，有利于電荷傳輸。基于全稠環(huán)電子受體的器件獲得了13%的光電轉(zhuǎn)化效率，是非INCN類受體材料的效率最高值。此外，空氣中加工基于F-受體的器件展示出優(yōu)良的光穩(wěn)定性，表現(xiàn)出極小的“burn-in”損失。

該工作為協(xié)同解決有機(jī)太陽(yáng)能電池中的成本、效率和穩(wěn)定性難題提供了范例，相關(guān)成果發(fā)表在CCS.Chem.（2022，DOI：10.31635/ccschem.02-2.202201963）上。

（來(lái)源：中科院化學(xué)研究所）