中科院侯剑辉团队吡咯环提升室内OPV电池PCE达25.4%

发表时间:2024/9/16 17:15:14

前言

有机光伏(OPV)电池因其轻薄柔性、可印刷等优势,被视为具潜力的下一代可再生能源技术。然而,效率和稳定性不足一直制约着OPV的商业化应用。

中科院侯剑辉团队发表在期刊《Advanced Energy Materials(29 Mar.Doi:10.1002/aenm.202303605)上的研究成果显示,通过在非富勒烯受体材料中引入吡咯环,可以显着提升有机光伏(OPV)电池在室内光照下的发电性能。研究团队设计合成了两种新型材料FICC-EHFICC-BO,并发现它们在有机发光二极管(OLED)中展现出优异的量子效率,其中FICC-BOOLED器件的量子效率更是高达0.1%,这在OPV材料中属于相当亮眼的成绩。更重要的是,基于FICC-BOOPV电池在室内1000 lux LED光照下实现了25.4%的功率转换效率(PCE),远高于标准光照(AM1.5G)下的12.0% PCE,充分展现了吡咯环在提升室内OPV电池性能方面的巨大潜力。

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导读目录

1.       前言

2.       研究方法-烷基链调控与合成路线全解析

3.       表征方法

l   光电性能测量

l   光学性质测量

l   结构和形态学分析

l   化学结构和组成分析

l   电化学性质测量

4.       结论-提升有机光伏电池性能的策略:吡咯环


研究方法-烷基链调控与合成路线全解析

为了设计和合成两种新型材料FICC-EHFICC-BO,研究人员首先在共轭骨架中加入了两个吡咯环,并对吡咯环上的烷基链进行了调节,以控制其聚集特性。具体的合成路径如下:

  1. FICC-EHFICC-BO的合成使用了Na2CO3作为催化剂,在THF/H2O5:1)混合溶剂中,以Pd(PPh3)2Cl2作为催化剂,反应温度为60
         
         

  2. 接着使用三乙基磷酸酯和o-二氯苯在180下进行反应,然后使用KOHKIDMF100下进行反应。
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  3. 最后使用POCI3DMF在室温下进行反应,并使用吡啶和氯仿在室温下进行反应。

通过这些步骤,研究人员成功合成了FICC-EHFICC-BO,并通过量子化学计算和实验测试来优化其结构和光电特性。

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表征方法

  1. 光电性能测量

    • J-V测量:评估太阳能电池的光电转换效率,利用EnlitechSS-X50太阳能模拟器进行J-V测量,评估OPV电池在标准太阳光照条件(AM1.5G)下的开路电压(Voc)、短路电流密度(Jsc)、填充因子(FF)和功率转换效率(PCE)。


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    • EQE(外部量子效率)测量:使用EnlitechQE-R3011太阳能电池光谱响应测量系统被用来测量外部量子效率(EQE)光谱,评估太阳能电池在不同波长下的光电转换效率。
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      5b:展示了PBQx-TFPBQx-TF基电池的外部量子效率(EQE)曲线。
           
           

    • EQEEL(电致发光外部量子效率)测量:使用EnlitechELCT-3010(现Enlitech REPS)测量EQEEL曲线,评估材料的电致发旋光性能。
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      根据图2aFICC-EHFICC-BOEQEEL值约为4.1 x 10^-4,这显著高于ITIC系列,并接近Y系列的水平。

    • FTPS-EQE测量:利用EnlitechPECT-600(现Enlitech FTPS)进行FTPS-EQE测量,分析电池的能量损失(Eloss)和带隙(Eg),并确定材料的光电转换特性。
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      S12a:展示电致发光和高灵敏度外部量子效率(s-EQE)测量,以研究两种有机光伏(OPV)电池的能量损失(Eloss)。在图S12a(支持信息)中显示,OPV电池的带隙(Eg)可以通过dEQE/dE的导数来确定。PBQx-TFPBQx-TF基电池的带隙分别为1.69 eV1.70 eV


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      S12bcs-EQE曲线的拟合结果,从而帮助确定PBQx-TFPBQx-TF基电池的能量损失(Eloss)。这些电池的Eloss分别为0.65 eV0.66 eV


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    • Photo-CELIV(光诱导电荷载流子提取)测量:评估太阳能电池的电荷载流子动力学。

    • OLED性能测量:使用EnlitechLQ-50X测量OLED的性能,包括发光光谱和发光效率,其中FICC-BO被用作OLED的发光层材料。
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      Figure 2b:这张图表展示了OLED的结构,具体为ITO/PEDOT/FICC-BO/TPBi/LiF/Al。这有助于理解OLED的组成和层次结构。


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      Figure 2c:显示了OLED的发射光谱,主要覆盖700850 nm的范围,并在759 nm处达到发射峰值。表示OLED的发光特性和颜色纯度


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            Figure 2d
      :展示了OLED在宽电压范围内的量子效率(QE)值,显示出稳定的0.1% QE,这表明OLED的性能稳定性。



  1. 光学性质测量

    • TA(瞬态吸收)测量:研究材料的激发态动力学。

    • 紫外-可见吸收光谱测量:测量材料的吸收光谱。
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      1dFICC-EHFICC-BO在溶液和薄膜状态下的紫外-可见吸收光谱。这些光谱显示了它们的最大吸收峰和吸收起始点,

    • 室内光谱辐射度校准:校准室内光的谱放射度。
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      5h:用于室内OPV电池测试的3000K LED光源的发射光谱。
           
           

o    LED3000K)的谱放射度测量:使用EnlitechHS-IL分光计校准室内光(LED3000K)的谱放射度,并利用3000K LED灯提供1000 lux的照明,模拟室内照明条件,评估OPV电池在室内环境下的VocJscFFPCE
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  1. 结构和形态学分析

    • GIWAXS(掠入射广角X射线散射)测量:分析材料的晶体结构和薄膜形态。

    • AFM(原子力显微镜)测量:观察材料的表面形态。

  2. 化学结构和组成分析

    • NMR(核磁共振)测量:确定材料的化学结构。

    • MALDI-TOF质谱测量:分析材料的分子质量和化学组成。

  3. 电化学性质测量

    • 电化学循环伏安法测量:研究材料的氧化还原行为和能级。

结论-提升有机光伏电池性能的策略:吡咯环

本研究证实,在非富勒烯受体材料(NFAs)的共轭骨架中引入吡咯环,可以提升其光电性能,为开发高效有机光伏(OPV)电池提供助力。

设计合成的两种新型非富勒烯受体材料FICC-EHFICC-BO,在有机发光二极管(OLED)中展现出良好的量子效率。其中,FICC-BOOLED器件的量子效率达到0.1%
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此外,基于FICC-BOOPV电池在标准光照(AM1.5G)下实现了12.0%的功率转换效率(PCE),在室内1000 lux LED光照下实现了25.4%PCE,证实了吡咯环在提升OPV电池性能方面的潜力。


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吡咯环的引入为降低OPV电池的能量损失和拓展其在光电领域的应用提供了可能性,未来有望在室内光伏等领域发挥作用。


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文献参考自Advanced Energy Materials 29 Mar_Doi:10.1002/aenm.202303605

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