化学所侯剑辉&安存彬团队AM：中带隙非富勒烯受体助力室内有机光伏电池效率高达30%

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前言回顾

随着物联网的快速发展，需要在室内环境下使用大量无线电子设备。光伏电池可以通过收集环境光为物联网设备提供能量，与无机光伏电池相比，有机光伏（OPV）电池由于其具有高吸收系数、高可调光学间隙和低泄漏电流，可以在低强度光下输出更高的光电转换效率（PCE）。此外，OPV电池重量轻、机械灵活性高和生产成本低，因此成为物联网无线设备的理想电源候选者。得益于器件工程、创新的非富勒烯受体（NFA）和共轭聚合物给体，室内OPV（IOPV）电池的PCE已达到约29%，理想情况下可以达到40%。因此，光伏材料的设计和合成以及理解其分子结构、活性层形态和器件性能之间的相关性对于进一步提高IOPV电池的PCE至关重要。然而，理想的IOPV电池必须具备高吸收系数并覆盖室内光源的吸收光谱，以最大限度地利用室内光光子。此外，这类电池还需要较低的非辐射复合电压损耗。

图1. 不同分子的结果与相关性质

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文献简介

基于上述的挑战，近日，中科院化学研究所侯剑辉研究员、安存彬副研究员团队设计并合成了一种新型中带隙非富勒烯受体（NFA）：FTCC-Br，其具有与ITCC类似的光学带隙、HOMO能级和LUMO能级，但由于不同的中心共轭骨架，两种分子具有不同的几何结构。当与给体材料PB2匹配共混后，尽管PB2:ITCC和PB2:FTCC-Br的共混物均表现出良好的本体异质结形态和相同的驱动力，但由于PB2:FTCC-Br共混物中更大的平均静电势偏移（ESP），所制备的器件的激子解离概率显著高于基于PB2:ITCC的OPV器件。

图2. 器件的光伏性能与EQE谱图

此外，与PB2:ITCC共混物相比，PB2:FTCC-Br共混物具有更长的激子寿命和更有效的空穴传输能力。因此，前者OPV器件PCE仅为11.0%，而后者OPV器件PCE为14.8%，同时短路电流密度和填充因子显著增加。更重要的是，基于PB2:FTCC-Br的器件在低光强度下仍可以保持上述优异的光伏特性，在1000 lux的3000K LED光照条件下，1 cm2的器件实现了30.2%的惊人PCE，是迄今为止IOPV电池的效率最高值。相比之下，基于PB2:ITCC的OPV器件PCE仅为25.4%。这些结果表明，开发具有大偶极矩和大ESP偏移的NFAs对于实现高性能IOPV电池器件至关重要。

图3. 器件的形貌表征

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文献总结

综上，该工作开发了一种高性能NFA（FTCC-Br）用于制备具有高效率的IOPV电池器件，同时为后续的相关分子设计提供了新策略。相关研究成果最新发表于国际顶级期刊《Advanced Materials》上，题为“Medium bandgap non-fullerene acceptor enabling organic photovoltaic cell with 30% efficiency under indoor artificial light”。

本文关键词：有机光伏电池，非富勒烯受体，室内光伏，静电势偏移。

转自：“有机光电前沿”微信公众号

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