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《有机太阳能电池研究新进展！北大进一步合成稠环电子受体光伏材料》

  • 来源专题：光电情报网信息监测服务平台
  • 编译者： husisi
  • 发布时间：2020-05-09

  • 北京大学工学院占肖卫课题组在非富勒烯受体有机太阳能电池研究中取得新进展，通过侧链和端基同时氟化策略设计并合成了具有三维堆积和激子/电荷传输的稠环电子受体光伏材料，相关工作发表在《先进材料》上。

    2015年，占肖卫课题组提出了稠环电子受体的概念，发明了明星分子ITIC（Adv. Mater., 2015, 27, 1170–1174，Google Scholar引用1590次，入选2015年度“中国百篇最具影响国际学术论文”）。2017年，他们率先把氟代氰基茚酮端基引入到稠环电子受体中（J. Am. Chem. Soc., 2017, 139,1336–1343，Google Scholar引用547次；Adv. Mater., 2017, 29, 1700144，Google Scholar引用549次；均入选2017年度“中国百篇最具影响国际学术论文”），目前性能最好的非富勒烯受体均采用氟代氰基茚酮端基。最近，他们进一步提出侧链和端基同时氟化的稠环电子受体分子设计策略，在分子骨架水平和垂直方向上同时引入氟原子，通过氟原子诱导的多维弱相互作用，构筑紧密的三维分子堆积网络，以实现高效的三维激子和电荷传输。基于侧链和端基同时氟化的稠环电子受体FINIC的光伏性能远高于无氟代的稠环电子受体INIC。

    侧链和端基同时氟化的稠环电子受体分子设计示意图

    占肖卫课题组博士后代水星是该篇论文的第一作者，占肖卫是通讯作者。合作者包括华南理工大学解增旗课题组、西安交通大学马伟课题组、中国科学院化学所易院平课题组和江浪课题组及新西兰惠灵顿维多利亚大学Justin M. Hodgkiss课题组。

    该工作得到国家自然科学基金委员会和北京大学加强基础研究专项等的资助。

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    • 华东理工大学化学与分子工程学院吴永真特聘教授和朱为宏教授在钙钛矿太阳能电池空穴传输材料 （HTMs） 领域取得进展，相关研究工作 “ Low cost and stable quinoxaline-based hole-transporting materials with a D–A–D molecular configuration for efficient perovskite solar cells ” 被国际知名化学期刊《 Chemical Science 》在线报道。 钙钛矿太阳能电池的空穴传输层能够促进光生电荷的提取和收集，并保护吸光层。目前，钙钛矿太阳能电池器件中常用的 HTM 是 2,2',7,7'- 四 [N,N- 二 (4- 甲氧基苯基 ) 氨基 ]-9,9'- 螺二芴 (spiro-OMeTAD) ，其昂贵的成本是制约钙钛矿太阳能电池实际应用的瓶颈之一。部分研究工作表明，将复杂的螺芴核替换成简单的 π 桥连，构建给体 -π 桥连 - 给体 (D-π-D) 型 HTM ，可以简化合成路线，降低成本。然而， π 桥连的富电子性会抬高分子 HOMO 能级，降低其本征稳定性。研究人员通过引入弱吸电子的喹喔啉单元，构建给体 - 受体 - 给体 (D-A-D) 型 HTM ，合理调控 HTM 的 HOMO 能级，优化钙钛矿太阳能电池器件界面能带排布。与spiro-OMeTAD 相比，这种 D-A-D 型的 HTM 分子具有更好的光稳定性，热分解温度提升了 30 o C ，合成成本降低了 30 倍。以噻吩取代的 HTM 分子 TQ2 制备的钙钛矿太阳能电池器件取得了 19.62% 的光电转换效率，优于参比化合物 spiro-OMeTAD(18.54%) 以及苯环取代的 HTM 分子 TQ1(14.27%) 。荧光寿命表征以及导电率测试表明噻吩取代的 HTM 分子有更好的空穴提取和传输能力。进一步通过单晶分析发现 TQ2 分子间存在 S---S 以及 S---π 相互作用，缩短了分子间三苯胺单元的距离，增加了空穴传输通道。该工作为设计低成本、高性能的钙钛矿太阳能电池空穴传输层提供了新思路。 该论文由博士生张浩在朱为宏教授和吴永真特聘教授的共同指导下完成，得到了田禾院士的悉心指导。相关工作得到了基金委创新研究群体项目、国家自然科学基金重点项目、上海市东方学者人才计划、中国化学会“青年人才托举工程”和中央高校基本科研专项资金等科研项目的资助。
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  • 《突破 | 柔性有机太阳能电池领域取得新进展》
    • 来源专题：光电情报网信息监测服务平台
    • 编译者：husisi
    • 发布时间：2022-04-27
    • 近日，《美国化学会志》(Journal of the American Chemical Society)以“Realizing 17.5% Efficiency Flexible Organic Solar Cellsvia Atomic-Level Chemical Welding of Silver Nanowire Electrodes”为题（DOI:10.1021/jacs.2c01503），在线报道了苏州大学李耀文教授在可印刷银纳米线柔性透明电极（FTE）可控生长及高效柔性有机太阳能电池（FOSCs）构筑取得的重要研究进展。 近年来，FOSCs因其质量轻、可溶液加工、具有可弯曲性等优点引起了科研工作者的广泛关注，并获得了飞速发展。然而，FOSCs的效率较基于玻璃基底制备的刚性电池仍有较大差距，主要原因是基于塑料基底制备的柔性透明电极在面电阻、透过率及可加工性等方面受到了局限。银纳米线（AgNWs）作为新一代高导电率、高透过率、耐弯折的材料已被广泛的应用于柔性电子设备的柔性电极中。但是由于溶液加工的AgNWs之间较差的接触以及与基底之间较弱的粘附力，使得FTE通常表现出较高的粗糙度和较差的导电及机械性能，严重影响了FOSCs的器件性能。基于此，苏州大学李耀文教授等人针对上述问题，提出了“可控还原—化学焊接”策略，通过向银纳米线溶液中引入具有还原性的离子液体（图1a）和硝酸银并与嵌有银纳米线（Em-Ag）的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）基底相结合，使被还原的银以孪晶生长方式焊接在AgNWs的结点，实现AgNWs和还原银之间原子级接触。这有助于在不牺牲光学透过率的情况下增强AgNWs的物理/电学接触，提高FTE的机械性能和导电性能。基于该FTE制备的FOSCs实现了效率的大幅度提升，以PM6:BTP-eC9:PC71BM为活性层的小面积器件（0.062 cm2）效率达到了17.52%。重要的是，这种FTE的制备方法适用于大尺寸印刷，采用刮涂方法制备的1 cm2 FOSCs的PCE高达15.82%。 图1. （a）离子液体的结构式;（b-c）不同反应时间析出物的照片和XRD谱图，其中*和#分别为AgCl和Ag的特征峰;（d） PET/Em-Ag/AgNWs-IL FTE的SEM图像：白色框表示部分嵌入在PET衬底上的AgNWs，黄色框表示在AgNWs的结点处形成的颗粒 图2 （a）AgNWs结点FIB切割过程示意图；（b）AgNW结点的透射电镜剖面图和（c）EDS图谱;（d）图2b中标记区域1的透射电镜截面放大图像;（e）左:图2b中标记区域2的透射电镜截面放大图像;右:所选区域的HR-TEM图像 图3.（a）制备AgNWs FTE流程示意图；（b）Em-Ag/AgNWs-IL FTE(不含衬底)在不同浓度离子液体时的方块电阻、电导率和（c）透过光谱。附图: FTE在10 cm × 10 cm尺度下的照片；（d）FTE的FoM值 图4. （a）FOSCs结构示意图以及给体PM6与受体Y6、BTP-eC9和PC71BM的分子结构；（b）小面积FOSCs的J-V曲线；（c）大面积柔性透明电极透过率及面电阻均一性；（d）1cm2 FOSCs的J-V曲线；（e）FOSCs效率统计分布图 图5.（a）PET/Em-Ag/AgNWs和PET/Em-Ag/AgNWs-ILFTE的方块电阻随弯曲次数增加的变化趋势。插图:弯曲试验示意图；（b）PET/Em-Ag/AgNWs和PET/Em-Ag/AgNWs-IL FTE在剥离力作用下方块电阻的变化。插图:剥离试验示意图；（c）0.062-cm2 FOSCs经过6000次弯曲之后的PCE衰减；（d）0.062-cm2 FOSCs在1200次不同弯曲半径下弯曲循环后的相对PCE衰减；（e）1-cm2 FOSCs经过6000次弯曲的PCE衰减过程。插图: FOSCs在弯曲时的照片 综上所述，该工作在AgNWs结点实现了Ag+的可控还原，银纳米线与被还原银颗粒之间获得了原子级别的物理接触，在银纳米线间形成了“银纳米线—还原银—银纳米线”导电通道，制备的FTE同时具有高的电导率和透光率。相关研究工作对于推动高性能银纳米线电极的商业化有重要的意义，并有望进一步促进高性能、大面积柔性光电器件的发展。
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