港理工大李剛教授團隊與UCLA二元有機太陽能電池突破性研究

發表時間：2024/6/28 15:08:01

【二元有機太陽能電池：高效、低成本的未來能源】

二元有機太陽能電池 (Binary Organic Solar Cell, BOSC) 是一種利用兩種有機材料組成的太陽能電池。這兩種材料通常是供體和受體材料，它們共同形成一個異質結構，以提高光電轉換效率。

二元有機太陽能電池具有以下特點：

l 高效能光電轉換：二元有機太陽能電池利用供體和受體材料的協同作用來吸收和分離光子，這有助于提高光電轉換效率。

l 材料多樣性：有機材料的種類繁多，且其化學結構可以通過設計進行調整，以優化其光電性能和穩定性。

l 輕薄柔性：二元有機太陽能電池可以制成超薄和柔性的器件，適用于各種表面和結構，這使得其應用范圍非常廣泛。

l 低制造成本：相較于傳統的硅基太陽能電池，有機太陽能電池的制造過程通常需要較低的溫度，并且可以使用卷對卷印刷技術，大幅降低生產成本。

l 環境友好：有機材料的制造和處理對環境的影響較小，并且許多有機材料是可再生和可降解的，有助于減少環境污染。

然而，二元有機太陽能電池的發展仍然面臨著一些挑戰，其中最主要的是非輻射復合損耗問題。非輻射復合是指光生電子和空穴在未參與電荷收集的情況下直接復合，導致能量損失，降低效率。因此，如何降低二元有機太陽能電池中的非輻射復合損耗，是提升其性能的關鍵。

【突破性研究_TCB 策略的應用及優勢】

香港理工大學李剛教授團隊與加州洛杉磯大學 Yang Yang 教授合作，在二元有機太陽能電池領域取得了突破性進展，成功開發出了一種非單調中間態操控 (ISM) 策略，有效降低了非輻射復合損耗，并實現了高達 19.31% 的 PCE (經認證為 18.93%)，創造了二元有機太陽能電池效率的新紀錄。

研究團隊利用 1,3,5-三氯苯 (TCB) 作為結晶調節劑，通過精細控制活性層的形態，實現了以下突破：

i. TCB 與活性材料的相互作用

TCB 可以與聚合物供體和 NFA 發生相互作用，形成新的相，這在 OSC 中以前從未被報道過。DFT 模擬進一步揭示了 TCB 與活性材料之間通過氫鍵發生相互作用。這種相互作用能夠同時提高聚合物供體和 NFA 的結晶度，促進更有效和平衡的電荷傳輸過程。

ii. TCB 處理提高器件效率

研究人員制備了基于 PM6:Y6 的 OSC，并對比了未經處理、經 DIO 處理和經 TCB 處理的器件性能。結果表明，經 TCB 處理的器件顯示出更高的 Voc、Jsc 和 FF，最終獲得了 18.06% 的 PCE，是迄今為止基于 PM6:Y6 的二元系統中最高的效率之一。

iii. TCB 處理提升電荷傳輸和抑制非輻射復合

經 TCB 處理的器件表現出更平衡的電子和空穴遷移率，以及更長的 TPV 衰減時間，表明 TCB 處理可以有效地抑制電荷載流子復合。此外，TCB 具有優異的揮發性，可以有效去除，從而減少了陷阱輔助復合。

iv. TCB 處理優化分子堆疊與形態

研究人員利用 AFM 和 GIWAXS 表征了經 DIO 和 TCB 處理的混合物。結果表明，經 TCB 處理的混合物具有更高的結晶度，以及更規則的分子堆疊，這有利于電荷傳輸過程。而經 DIO 處理的混合物則顯示出過度的分子聚集，導致更多的陷阱，從而加劇了非輻射復合。

【TCB-ISM 策略的廣泛適用性】

研究團隊進一步證實了 TCB-ISM 策略的廣泛適用性，他們將該策略應用于五種不同的 OSC 系統中，包括全小分子體系 (BTR-Cl:Y6) 和聚合物:非富勒烯受體體系 (PBDB-T:ITIC、PBDB-T-2Cl:IT-4F、PM1:BTP-eC9 和 PM6:BTP-eC9)，結果表明，TCB 處理的器件在所有這些體系中都表現出比傳統的 DIO 處理器件更優秀的光伏性能。

特別值得關注的是，在 PM1:BTP-eC9 體系中，使用 TCB-ISM 策略后，器件效率從 DIO 處理的 17.86% 提升至 19.10%。而在 PM6:BTP-eC9 體系中，雖然 DIO 處理的器件已經表現出 17.98% 的高效率，但使用 TCB-ISM 策略后，器件效率進一步提升至 19.31%，創造了二元 OSC 的高效率紀錄（經獨立第三方認證為 18.93%）。

【結論】

l 抑制非輻射復合損失的有效性：

通過對兩種高效率 OSC 體系 (PM1:BTP-eC9 和 PM6:BTP-eC9) 的能量損失 (Eloss) 分析，研究團隊發現 TCB-ISM 策略在抑制非輻射復合損失方面表現出顯著的優勢。

在 PM1:BTP-eC9 體系中，TCB 處理的器件的 △E3 值僅為 0.168 eV，這是目前報導的高效率 (PCE > 16%) OSC 中低的非輻射復合損失值。同時，TCB 處理的器件也表現出更高的電致發光量子效率 (EQEEL)，達到了 1.1 × 10?3，這也是目前報導的高效率 OSC 中的最高值。

在 PM6:BTP-eC9 體系中，TCB-ISM 處理的器件也表現出類似的 Eloss 趨勢，再次驗證了 TCB-ISM 策略在抑制非輻射復合損失方面的有效性。值得注意的是，TCB-ISM 處理的器件的 △E3 值略高于 PM1 基礎的 OSC，但仍然保持著非常低的水平。

l 改善器件穩定性的能力：

除了抑制非輻射復合損失，TCB-ISM 策略還可以顯著提高器件的穩定性。在最大功率點 (MPP) 跟蹤模式下進行的 1000 小時模擬 1 太陽光照射應力測試表明，TCB 處理的器件可以保持 78% 的初始效率，而 DIO 處理的器件僅能保持 69% 的初始效率。更重要的是，TCB 處理的器件的 T80 壽命（器件效率下降至初始值的 80% 所需的時間）為 660 小時，遠高于 DIO 處理的器件的 169 小時。

研究團隊認為，TCB-ISM 策略改善器件穩定性的原因主要包括：

n 抑制非富勒烯受體 (NFA) 聚集： TCB 可以誘導形成均勻的分子聚集，抑制孤立的 NFA 聚集體的形成，這些聚集體會充當形態陷阱，加速器件的降解。

n 提高結晶度： TCB 處理的混合物具有更高的結晶度，這有助于延緩器件在光照條件下形態的演變。

n 無殘留： TCB 的優異揮發性可以確保在旋涂過程中去除，避免殘留物對器件穩定性的負面影響。

【展望未來】

二元有機太陽能電池（Binary Organic Solar Cell, BOSC）未來可能運用領域

l 建筑整合光伏（BIPV）：二元有機太陽能電池可以用于建筑物的表面，如窗戶、幕墻和屋頂，提供綠色能源并且不影響建筑的外觀。

l 可穿戴設備：其輕薄和柔性的特性使其非常適合用于可穿戴設備，如智能手表、健身追蹤器等，提供持續的能源供應。

l 便攜式電子設備：二元有機太陽能電池可以用于制作便攜式太陽能充電器，為手機、平板電腦等設備提供方便的充電方案。

l 農業應用：可以用于農業傳感器、灌溉系統等，利用太陽能提供電力，提高農業生產效率并減少對傳統電源的依賴。

l 交通工具：可以應用于電動車、自行車和無人機等交通工具上，利用太陽能延長續航時間并降低對電網的依賴。

l 公共設施：二元有機太陽能電池可以用于街燈、公共座椅等戶外設施，提供獨立的電力供應，減少市政電力消耗。

李剛教授團隊的研究成果為有機太陽能電池領域的發展提供了新的思路，也證明了非單調中間態轉變策略在提高效率和降低非輻射復合損失方面的巨大潛力。為實現更高效率、更穩定、更具應用前景的分子太陽能電池提供了新的方向。

【本研究參數圖】

Figure S15.The copy images of PCE certificate from Enli Tech. Optoelectronic Calibration Lab. for the TCB processed PM6:BTP-eC9 OSC

Figure 2. (a) 本工作中使用的器件結構：此圖展示了有機太陽能電池 (OSC) 器件的示意圖，說明了不同層排列方式和結構。

(b) 基于 PM6:Y6 的 OSC 在使用基準溶劑添加劑 DIO 和 TCB 的情況下的 J-V 曲線：此圖展示了在不同電壓下，使用不同溶劑添加劑的器件的電流-電壓特性，可以觀察到不同溶劑添加劑對器件性能的影響。

(c) 基于 PM6:Y6 的 OSC 在使用 DIO 和 TCB 的情況下的 EQE 光譜：此圖展示了使用不同溶劑添加劑的器件在不同波長光照下的外部量子效率 (EQE) 光譜，可以觀察到不同溶劑添加劑對器件光電轉換效率的影響。