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-EH和FICC-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-BO基OLED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-BO的OPV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。
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-EH和FICC-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:
FICC-EH和FICC-BO的合成使用了Na2CO3作为催化剂,在THF/H2O(5:1)混合溶剂中,以Pd(PPh3)2Cl2作为催化剂,反应温度为60℃。
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KOH、KI和DMF在100℃下进行反应。
最后使用POCI3和DMF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-EH和FICC-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。
表征方法
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Enlitech的SS-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)。
EQE(外部量子效率)测量:使用Enlitech的QE-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。
图5b:展示了PBQx-TF和PBQx-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Enlitech的ELCT-3010(现Enlitech REPS)测量EQEEL曲线,评估材料的电致发旋光性能。
根据图2a,FICC-EH和FICC-BO的EQEEL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Enlitech的PECT-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。
图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-TF和PBQx-TF基电池的带隙分别为1.69 eV和1.70 eV
图S12b、c:s-EQE曲线的拟合结果,从而帮助确定PBQx-TF和PBQx-TF基电池的能量损失(Eloss)。这些电池的Eloss分别为0.65 eV和0.66 eV。
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Enlitech的LQ-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。
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。
Figure 2c:显示了OLED的发射光谱,主要覆盖700到850 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
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。
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。
图1d:FICC-EH和FICC-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。
图5h:用于室内OPV电池测试的3000K LED光源的发射光谱。
o LED(3000K)的谱放射度测量:使用Enlitech的HS-IL分光计校准室内光(LED,3000K)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Voc、Jsc、FF和PCE。
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。
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。
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-EH和FICC-BO,在有机发光二极管(OLED)中展现出良好的量子效率。其中,FICC-BO基OLED器件的量子效率达到0.1%。
此外,基于FICC-BO的OPV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%的PCE,证实了吡咯环在提升OPV电池性能方面的潜力。
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。
文献参考自Advanced Energy Materials 29 Mar_Doi:10.1002/aenm.202303605
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