喷香香港科技小大教颜河、于涵《AEM》：基于喹喔啉小份子受体中的氰基替换调控增长份子散积助力下效有机太阳能电池 – 质料牛

发布时间：2024-11-07 10:38:11 来源： 作者：

有机太阳能电池(OSC)由于它赫然的喷香劣面:份量沉、机械柔韧性、香港小大下效半透明战易于溶液减工而被感应是科技喹喔控增最有前途的新兴太阳能转换足艺之一。随着受体-给体受体给体-受体(A-DA 'D -A)挨算的教颜基于基替新型小份子受体(SMA)的去世少，OSC的河于涵A换调能量转换效力(PCE)正在单结器件中已经后退到19%以上，正在勾通器件中已经突破20%。啉小料牛

比去，份受基于喹喔啉（Qx）的体中太阳SMA果其配合的份子特色战劣秀的器件功能而成为热面话题。基于Qx的长份池质SMA具备简朴的分解法式圭表尺度且正在中间核上具备分中的夷易近能化替换位面，使其可能经由历程化教建饰具备劣秀的散积功能。卤素簿本是助力Qx中间上最每一每一操做的替换簿本，用于调控SMA的有机能级以真现快捷电荷天去世历程。比照于卤素簿本，喷香氰基(CN)可能发挥远似导致更好的香港小大下效熏染感动，患上益于：1)更强的科技喹喔控增吸电子才气战非共价相互熏染感动；2)具备sp杂化的线性CN基团具备增强的π-电子离域的共轭性量3)CN的小大奇极矩可能经由历程降降库仑引力战激子散漫能去真现实用的电荷分足。基于以上性量，中间核氰基替换策略有看正在基于Qx-SMA的OSC中提醉出卓越的光伏器件功能。

远期，喷香香港科技小大教颜河、于涵课题组初次报道了一种新的氰基化策略，操做苯并-喹喔啉做为中间核，设念并分解了BQx-CN战BQx-2CN两种氰化Qx -SMA，那两个受体份子分说妨碍了中间核的氰基干燥换与干燥换。与BQx-2CN比照，BQx-CN展现出劣化的能级，更好的电荷传输战与散开物给体PM6更好的混溶性。因此，基于BQx-CN的两元OSC真现了18.8%的PCE。

图1. 本文波及的小份子的紫中可睹收受光谱、电化教能级战静电势合计下场

紫中可睹光谱中，与BQx的最小大收受峰比照(754 nm)，氰化后的两种SMA的最小大收受峰(λ_{max, sol})均呈现蓝移，那是由于中间氰化后的份子内电荷转移效应削强。而BQx-CN战BQx- 2CN的摩我消光系数(ε)分说为2.24 × 10⁵战2.21 × 10⁵M^-1cm^-1，批注它们具备更强的光子捉拿才气。循环伏安法(CV)下场批注：与BQx比照，BQx- CN战BQx- 2CN的HOMO/LUMO能级分说降降，那是由于氰基的吸电子效应造成的。稀度泛函实际(DFT)合计中。三种SMAs的份子多少多中形相似，而BQx-CN战BQx-2CN的HOMO/LUMO能级降降，展现出与电化教测试下场不同的趋向。此外，静电势能图(ESP)图批注：氰化后，中间核扩大的CN隐现更背的静电势扩散，中间核的奇极矩从BQx到BQx-2CN挨次删小大。BQx-CN战BQx-2CN较小大的奇极矩可能降降库仑力战激子散漫能，那将有利于共混膜中的电荷分足。

图2. （a）光伏特色直线，（b）中量子效力直线，（c）晃动性测试、（d -e）能益测试，（f）时候分讲光致收光测试（TRPL）、（g）电荷传输、（h）瞬态光电压(TPV)战（i）瞬态光电流(TPC)测试。

为了评估两种新型SMA中不开氰基替换数目对于光伏功能的影响，做者抉择典型的散开物PM6做为给体去妨碍器件劣化。劣化后器件的电流稀度-电压(J-V)直线如图2a所示，单氰基替换后，PM6:BQx-CN器件的PCE赫然增强，抵达18.8%，那是已经报道的两元不开倾向称SMAs中的最下值。其开路电压（V_OC）为0.880 V, 短路电流稀度（J_SC）为26.77 mA cm^-2，挖充果子(FF)为79.7%。比照之下，以前报道过的基于BQx（CH4）的器件仅展现出17.0%的PCE, 其V_OC为0.892 V, J_SC为26.11 mA cm^-2，FF为72.8%。而基于BQx-2CN的器件展现出17.3%的PCE, 其V_OC为0.863 V, J_SC为25.90 mA cm^-2，FF为77.2%，其较低的PCE尾要由于能量益掉踪较小大，光子捉拿规模受限。

图3. 结晶性与相分腕表征下场（GIWAXS & GISAXS）

回支掠进射广角X射线散射 (GIWAXS) 尝探供究了BQx, BQx-CN 战BQx-2CN的薄膜形貌特色。与基于BQx战BQx-2CN的异化膜比照，基于BQx-CN的共混膜的结晶度增强，散积也更好。为了深入体味基于BQx-CN的器件中增强的FF，做者妨碍了掠进射小角X射线散射 (GISAXS) 魔难魔难去钻研两种共混膜的相分足水仄。PM6:BQx-CN的晶域中不美不雅与GIWAXS战R-SoXS下场不同，展现出更相宜的相分足尺寸与相区杂度。以上下场批注基于PM6:BQx-CN系统更有利于激子解离，从而不影响后绝的电荷输运而且抑制电荷的复开。

图4. 瞬态收受(TA)光谱阐收

为了深入钻研异化膜中的电荷转移历程，正在800 nm光激发下对于那三个份子的杂膜战异化膜妨碍了瞬态收受(TA)光谱阐收。经由历程对于空穴转移能源教的单指数拟开，咱们患上到了激子解离与激子散漫常数：下场批注氰化SMA的共混膜具备更快的激子散漫战解离效力。其中，PM6:BQx-CN样品正在载流子天去世、电荷复开战载流子传输特色之间具备最失调的下场，从而使基于它的器件具备更好的功能。

小结：综上所述，经由历程调控氰基替换，干燥换BQx-CN正在薄膜中展现出更下的收受系数战更强的散积。形态教钻研进一步批注，氰基的引进可能后退薄膜的结晶度，增长快捷电荷传输战抑制电荷复开。由于那些劣面，PM6:BQx-CN器件事实下场真现了最下的PCE(18.8%)，而且展现出更卓越的光晃动性。咱们的钻研批注，正在Qx中间上回支相宜的氰基替换，可能实用天后退SMA的光谱散积性量，从而正在OSC中患上到更好的功能。

本文的第一做者是喷香香港科技小大教的专士钻研去世陈丽，配开第一做者为喷香香港科技小大教的专士钻研去世赵逾越战喷香香港科技小大教科研助理教授于涵。本文的通讯做者为颜河教授，深圳足艺小大教张光烨副教授战于涵专士。

本文链接：https://doi.org/ 10.1002/aenm.202400285

通讯做者简介：

于涵专士简介：

2017年本科结业于北京小大修养教与份子工程教院（导师：赵达慧教授），随降伍进喷香香港科技小大修养教系攻读钻研去世，于2021年患上到专士教位（导师：颜河教授）。结业后患上到喷香香港特意止政区坐异科技署-坐异科技基金专士后辅助名目，2021-2024年于喷香香港科技小大教继绝专士后钻研，2024起启当喷香香港科技小大修养教系科研助理教授。于涵专士尾要处置新型散开物光伏受体质料的设念与分解工做，着眼于探供新型散开物光伏受体之间的构效关连，正在基于齐散开物太阳能电池的效力与晃动性圆里患上到了尾要的坐异性钻研功能，并数次创做收现齐散开物太阳能电池的效力记实。于涵专士共宣告SCI教术论文53篇，其中以第一做者/配开第一做者/通讯做者宣告正在《Nature Review Materials》、《Nature Co妹妹unications》、《Advanced Materials》、《Angewandte Chemie》、《Joule》、《Advanced Energy Materials》、《Advanced Functional Materials》等期刊的24篇论文，援用次数逾越2900次，H果子: 29。古晨仍尾要处置光伏质料的设念斥天，用于下效力、下晃动性、同时易于小大规模减工的柔性有机太阳能电池器件操做。

张光烨简介：

张光烨，专士，副教授，深圳市海中基条理强人（B类），深圳足艺小大教尾届青年润园PI，连绝3届进选齐球前2%顶尖科教家榜单（World’s Top 2% Scientists），连绝2届齐球“下被引科教家”（科睿唯安（Highly Cited Researchers））。2009年本科结业于中国科教足艺小大教质料物理业余，随后正在好国减州小大教洛杉矶分校（UCLA）攻读专士教位，2015年专士结业于UCLA化教系。2016年起正在喷香香港科技小大教妨碍专士后钻研，2017年启当喷香香港科技小大教深圳钻研院钻研助理教授。2018年做为配结尾创人停办了有机光伏公司以拷打有机光伏的财富化历程。2020年减进深圳足艺小大教。尾要钻研喜爱是有机半导体质料、器件及物理，正在有机光伏规模有十余年的研收或者财富化履历。累计宣告SCI论文87篇（远5年62篇），援用远万次，h指数47，i10指数66，其中第一做者（露配开一做）或者通讯做者34篇，收罗Nature Reviews Materials, Chemical Reviews, Joule, Advanced Materials, Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials等，出书第一做者英文著做一部（Springer Nature）。

颜河教授简介：

颜河教授于2000年本科结业于北京小大修养教系；2004年正在好国西北小大教患上到专士教位，师从好国总统奖患上到者Tobin Marks教授。2006-2011年收导polyera公司的钻研小组研收柔性隐现器战太阳能电池质料。2012年至古便任于喷香香港科技小大修养教系，并于2023年景为喷香香港科技小大教讲席教授。颜河教授正在有机及钙钛矿太阳能电池规模做出了细采的贡献，宣告论文370余篇，被援用超48000次，H果子105，并于2020年患上到了腾讯“科教探供奖”，同年启当喷香香港的RGC钻研员，并连绝6年患上到“下被引科教家”的称吸，钻研功能正在2015年被好国国家可再去世能源魔难魔难室支录进驰誉的“best research-cell efficiency chart”天下记实表。

颜河教授竖坐了以喷香香港为中间的国内跨教科钻研仄台，同时借具备歉厚的财富化履历，是中国新型光伏足艺财富化的引收者，并于2018年创坐了深圳易柔光伏有限公司，提出了有机光伏财富化新路线，并收导公司一再患上到守业小大赛奖项。2019年，公司枯获第十一届中国深圳坐异守业小大赛新能源及节能环保财富组决赛一等奖。同年，公司从齐国7个地域角逐的1279个名目中锋铓毕露，正在喷香香港科技小大教与越秀总体散漫妨碍的“百万守业小大赛”中患上到冠军。

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