化学学院蔡跃鹏教授团队在国际顶级期刊《Energy & Environmental Science》上发表重要研究成果
来源:化学学院|作者:化学学院|摄影:化学学院|编辑:杨柳青
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近日,我校化学学院蔡跃鹏教授团队在有机太阳能电池领域取得了重要研究进展,提出了一种简单、有效和普适的溶剂添加剂提升有机太阳能电池光伏性能的策略。研究成果“Halogenated Thiophenes Serve as Solvent Additives in Mediating Morphology and Achieving Efficient Organic Solar Cells”发表在能源材料顶级期刊《Energy & Environmental Science》(https://doi.org/10.1039/D2EE02553A)。《Energy & Environmental Science》由英国RSC出版社主办,在国际上享誉盛名,2022年最新影响因子为39.7,为材料、能源、环境领域顶级期刊。我校蔡跃鹏教授和刘升建研究员共同指导的硕士研究生郭灵芝为论文第一作者。刘升建研究员为论文的独立通讯作者,蔡跃鹏教授、华南理工大学黄飞教授等为主要作者,我校为第一完成单位。

图1. 论文首页

有机太阳能电池(OSCs)具有轻质、柔性、可印刷等优势,在可穿戴柔性电子、光伏建筑一体化、物联网等领域具有重要应用前景,被认为是传统硅基太阳能电池的重要补充,对实现“碳达峰、碳中和”战略目标具有重要意义。然而,由于有机光伏材料为无定型结构,分子排列有序性差,造成电荷在器件中传输速度慢、以及电荷复合损失严重等问题,困扰有机太阳能电池光伏性能的大幅提升。

图2. 卤代噻吩的沸点及其对光伏材料PM6的溶解性

基于有机太阳能电池材料为含氟噻吩的共轭有机分子,蔡跃鹏教授团队根据“相似相溶”原理,理性设计、合成卤代噻吩的溶剂。通过溶剂分子的溴和氟原子双重取代,提高了溶剂的沸点和溶解性,延长了溶剂挥发时间和成膜动力学过程,为精确调控有机光伏材料的结晶和相分离动力学过程提供了有效方法。

图3. 卤代噻吩助力形成电荷高速传输通道和理想型P-i-N异质结

进一步将卤代噻吩作为溶剂添加剂加入到有机太阳能电池材料溶液中,延长光伏材料溶液到薄膜的动力学过程。结果表明,在太阳能电池器件中,有机分子材料的结晶性显著提高,呈现有序排列,为电荷的高速传输提供了有序通道,电荷传输速度提高了3倍。并且延长了相分离的动力学过程,促进了P-型和N-型有机半导体在垂直方向上的分离,形成了理想型P-i-N异质结,不仅为光生激子的高效解离提供了丰富的相界面,而且为电荷的有效收集提供了更有利的界面接触,太阳能电池中激子解离和电荷收集效率显著提升至99%和90%。

图4. 卤代噻吩助力实现高效有机太阳能电池

最后,利用本研究中自主研发的卤代噻吩为溶剂添加剂,调控太阳能电池的结晶和相分离行为。以PM6:Y6为活性层的标准有机太阳能电池的能量转换效率高达17.9%,填充因子超过78%,是PM6:Y6体系太阳能电池文献报道最高效率之一。值得注意的是,卤代噻吩的有效策略还可推广应用于其它有机太阳能电池材料体系中,如基于L8-BO、Y6-BO和BTP-eC9等N-型半导体的有机太阳能电池的能量转换效率均显著提高至18.6~18.7%。因此,基于“相似相溶”原理设计的卤代噻吩是一种有效的溶剂添加剂,为有机太阳能电池的形貌调控和光伏性能提升提供了有效的策略。此外,该策略为理性设计和构建高效溶剂添加剂提供了重要思路,有助于有机太阳能电池的商业应用。

该研究依托广东省能量转化与储能材料工程技术研究中心、广州市能源转化与储能材料重点实验室、集成电路封装用电子化学品重点实验室,得到了国家自然科学基金项目、广东省自然科学基金、广东省科技计划项目的支持。

团队核心成员刘升建研究员是我校引进的青年拔尖人才,2018年获批广东省青年珠江学者,是广东高校集成电路封装用电子化学品重点实验室主任。团队长期聚焦于能源转换与存储材料领域,在晶态多孔材料、储能电池、太阳能电池和微纳马达等研究方向取得了一系列成果。近五年,在Journal of the American Chemical Society, Energy & Environmental Science, ACS Nano, ACS Energy Letter, Advanced Functional Materials, Nano Energy等期刊上,以第一单位通讯作者发表学术论文50余篇。

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