山東大學張茂杰教授團隊在提升有機太陽能電池性能方面取得系列進展

　　近日，國家膠體材料工程技術研究中心張茂杰教授團隊在有機太陽能電池領域取得系列進展，相關成果先后發(fā)表在國際期刊Adv. Funct.Mater和Energy Environ.Sci。
 

　　有機太陽能電池由于生產過程簡單、質量輕、半透明和可柔性化等優(yōu)點，在柔性智能設備等領域具備廣闊的應用場景。然而，與高度結晶的無機和有機-無機雜化半導體(如硅和鈣鈦礦)相比，有機半導體通常表現出無序的結構，這導致有機太陽能電池內部較差的載流子遷移率和嚴重的雙分子復合。此外，由于有機半導體低的介電常數，有機太陽能電池活性層內通常需要存在電子給體和電子受體材料以建立本體異質結形貌。在薄膜形成過程中，受光伏材料不同的結晶和熱力學性質的影響，不同材料間復雜相互作用使得形貌調控變得十分復雜。因此，優(yōu)化有機太陽能電池內部活性層形貌，如結晶、相區(qū)尺度和垂直相分布，是提升有機太陽能電池能量轉換效率的關鍵。
 

圖1. DBM對給體和受體材料分子堆積的影響
 

圖2. DBM處理對給體和受體激子擴散距離的研究
 

　　該團隊成功引入一種新型無鹵素的揮發(fā)性固體添加劑二苯甲酰甲烷(DBM)。通過約化密度梯度(RDG)計算、紫外-可見-近紅外(UV-vis-NIR)吸收光譜和掠入射廣角X射線衍射(GIWAXS)測試結果證明，DBM可以顯著增強給體和受體的有序堆積。DBM處理能有效延長激子在給體和受體薄膜中的擴散距離，促進充分的激子解離和有效的電荷傳輸，提升短路電流密度(JSC)和填充因子(FF)。研究發(fā)現，DBM能夠同時增強給體和受體分子的有序堆積，有效延長激子擴散距離，最終助力二元體系獲得高達19.4%的PCE。本研究深入闡述了DBM添加劑的作用機制，對推動有機光伏的商業(yè)化、可持續(xù)發(fā)展具有實踐指導價值。相關研究成果以“A Halogen-free and Universally Volatile Solid Additive Enables Binary Organic Solar Cells to Exceed 19% Efficiency”為題發(fā)表在國際期刊Advanced Functional Materials(IF：18.5)。論文的通訊作者為張茂杰教授、團隊教授國霞，博士研究生韓晨雨和程博為論文的共同第一作者，山東大學為論文第一單位。
 

圖3. 光伏材料基本信息
 

圖4. 薄膜垂直相分布表征及原位成膜動力學分析
 

　　該團隊還提出了一種動力學調控策略，即在活性層成膜過程中，通過引入微量小分子給體(BTR-SCl)原位調控其結晶動力學過程。系統(tǒng)的實驗結果表明，BTR-SCl的加入能與PM6:L8-BO形成級聯的能級排列、互補的光吸收。此外，由于BTR-SCl強的結晶性，以及與PM6優(yōu)異的相容性，其在薄膜形成過程中，能顯著提升PM6的預聚集，以及延長其結晶生長時間。最終，相比于PM6:L8-BO二元薄膜，PM6:BTR-SCl:L8-BO三元混合膜具有更加優(yōu)異的分子堆積，以及顯著的垂直相分布形貌。這為器件內部激子的擴散、解離、以及載流子的傳輸提供了良好的環(huán)境，最終實現了器件性能的大幅提升。本研究深入探究了有機太陽能電池內部活性層形貌的衍生機理，為未來開發(fā)高性能有機光伏器件提供了重要的指導。最終，基于BTR-SCl的三元器件實現了20.0%的能量轉換效率，這代表了基于小分子給體的三元有機太陽能電池的最高值。該研究為未來高效有機光伏器件的開發(fā)提供了重要指導意義。相關成果以“Manipulating Crystallization Kinetics and Vertical Phase Distribution via Small Molecule Donor Guest for Organic Photovoltaic Cells with 20% Efficiency”為題發(fā)表于國際頂級期刊Energy & Environmental Science(IF:32.4)。論文的通訊作者為張茂杰教授、國霞教授，博士研究生程博為論文第一作者，山東大學為論文第一單位。
 

　　該團隊長期致力于有機光伏材料與器件相關的科學研究，主要包括有機和聚合物光伏材料的設計與合成、高效器件構筑與器件物理機制研究等。在前期工作中，成功開發(fā)出一系列高性能有機共軛光伏材料，能量轉換效率始終保持在國際前沿水平，推動了有機太陽能電池的蓬勃發(fā)展。 相關研究成果已發(fā)表在Nat. Commun.、Adv. Mater.、Energy Environ. Sci.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Nano Energy、Macromolecules等期刊。
 

　　相關研究成果得到山東大學杰出中青年學者、山東大學齊魯青年學者、山東省自然科學基金和山東省泰山學者項目的資助和支持。山東大學結構成分與物性測量平臺為性能表征提供了重要支持。