寧波材料所在高效率有機太陽能電池研究方面取得重要進展
有機太陽能電池（OSCs）由于其質(zhì)輕、柔性、顏色可調(diào)、可溶液方法加工和適合印刷生產(chǎn)等優(yōu)勢被認為是最有前途的下一代清潔能源之一。得益于新材料的出現(xiàn)，目前有機太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)突破19%。然而，與其他類型的電池相比，大多數(shù)高效率二元器件的開路電壓相對較低，這是限制效率提升的重要原因。如何設(shè)計高開壓的新型受體作為第三組分進行有效摻雜是進一步提升器件開壓從而提高效率的關(guān)鍵。
近期，中國科學院寧波材料技術(shù)與工程研究所有機光電材料與器件團隊在葛子義研究員的帶領(lǐng)下在前期高效率和柔性有機太陽能電池研究的基礎(chǔ)上（Nature Photonics, 2015, 9, 520; Joule, 2021, 5, 2395; Advanced Materials, 2019, 31, 201902210; Advanced Materials, 2022, 34, 2202752; Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59, 2808.）, 在高效率有機太陽能領(lǐng)域又取得了新進展。該團隊設(shè)計并成功合成了一對以二噻吩并吩嗪為中心核的非富勒烯受體客體，將其引入D18:N3體系中獲得了剛性19.33%和柔性18.01%的能量轉(zhuǎn)換效率。這是目前公開報道的有機太陽能電池的最高效率之一。
在該工作中，科研人員基于前期對喹喔啉核的系統(tǒng)研究（ACS Energy Letters, 2022, 7, 3432）, 進一步將喹喔啉核上噻吩環(huán)稠合，在保持高開壓的同時，拓展了受體分子的共軛平面，精確調(diào)控了噻吩環(huán)上S原子的分子取向制備了一對異構(gòu)化的新型非富勒烯受體QX-α和QX-γ，并深入探究了該異構(gòu)體本征的性質(zhì)以及對器件光伏性能的影響。其中，QX-α中S...N非共價相互作用的存在帶來了更大的偶極矩、更有序的堆積以及更高的表面能。在D18:N3體系中進行摻雜時，基于QX-α的器件獲得了剛性19.33%的效率，而基于QX-γ的器件并沒有明顯提升（18.30%）。進一步表征表明，D18:N3:QX-α器件效率的提升主要得益于更平衡的電子\空穴遷移率、更高效的電荷收集以及較低的能量損失。值得注意的是，在穩(wěn)定性的研究中表明大共軛客體的引入顯著提升了器件的熱穩(wěn)定性：在手套箱無封裝85℃加熱476 h保持初始效率的87%（標件僅為49%），如圖所示。同時，基于PET/Ag grids的柔性器件能量轉(zhuǎn)換效率達18.01%，這是目前柔性有機太陽能電池的最高效率。
該工作以“Isomerization Strategy on Non-fullerene Guest Acceptor Enables Stable Organic Solar Cells over 19% Efficiency”為題發(fā)表在國際頂級期刊Energy & Environmental Science上（IF=39.741，DOI: https://doi.org/10.1039/D3EE01164J，論文鏈接: https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/ee/d3ee01164j），寧波材料所博士研究生陳振宇為本文第一作者，寧波材料所葛子義研究員、楊道賓副研究員和宋偉為本文的通訊作者。
該研究得到了國家杰出青年科學基金（21925506）、國家自然科學基金聯(lián)合基金（21925506）、寧波市科技創(chuàng)新2025重大專項（2018B10055）、浙江省自然科學基金（LQ22E030013）等的項目的支持。
N3、QX-α和QX-γ的化學結(jié)構(gòu)式（a）； D18、N3、QX-α和QX-γ單組份薄膜的吸收（b）和能級（c）；剛性器件的J-V曲線（d）；標件與摻雜后三元器件的熱穩(wěn)定性對比（e）
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