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2022年5月6日Nature Materials在線發(fā)表了上海交通大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院劉烽教授團(tuán)隊(duì)與北京航空航天大學(xué)化學(xué)學(xué)院孫艷明教授和倫敦帝國理工學(xué)院Jun Yan在單結(jié)有機(jī)太陽能電池領(lǐng)域的最新成果“Single-junction organic solar cells with over 19% efficiency enabled by a refined double-fibril network morphology”。劉烽教授，孫艷明教授和Jun Yan為通訊作者，上海交通大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院為第一通訊單位。

有機(jī)半導(dǎo)體具有高光吸收和可調(diào)能級(jí)的優(yōu)勢(shì)，使薄膜太陽能電池在很寬的波長范圍內(nèi)具有高光電子轉(zhuǎn)換效率。盡管最近取得了進(jìn)展，但有機(jī)太陽能電池（OSCs）的性能仍然受到非理想激子和電荷傳輸?shù)南拗疲@不僅取決于有機(jī)半導(dǎo)體的電子結(jié)構(gòu)，在異質(zhì)結(jié)設(shè)置中還需要通過材料結(jié)晶和相分離形成的合適的納米結(jié)構(gòu)。因此，需要一種合適的納米級(jí)相分離形態(tài)來平衡結(jié)晶區(qū)和混合域，以進(jìn)一步提高OSCs的功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）。

然而，薄膜沉積是一個(gè)非平衡過程，取決于多種因素，包括化學(xué)結(jié)構(gòu)和處理?xiàng)l件。其中，控制薄膜形態(tài)的一個(gè)有用策略是引入第三種成分，該成分可以選擇性地與供體或受體相互作用，以誘導(dǎo)額外的形態(tài)控制。對(duì)于焓決定的結(jié)晶，可以實(shí)現(xiàn)具有合適尺寸尺度的結(jié)晶誘導(dǎo)相分離形態(tài)，創(chuàng)建一個(gè)交織的供體-受體雙連續(xù)網(wǎng)絡(luò)，具有數(shù)十納米級(jí)的結(jié)晶域，從而產(chǎn)生有效的激子和載流子傳輸。同時(shí)，需要細(xì)化供體-受體混合域的尺寸以增強(qiáng)載流子在到達(dá)雙連續(xù)結(jié)晶域之前的擴(kuò)散，這決定了接近開路條件下載流子傳輸?shù)男剩瑥亩绊懫骷奶畛湟蜃樱‵F）。

劉烽教授團(tuán)隊(duì)使用精心設(shè)計(jì)的供體-受體組分的三元混合策略證明了雙連續(xù)雙原纖維網(wǎng)絡(luò)形態(tài)（DFNM），其中相分離、結(jié)晶度和特定原纖維寬度受到共同控制。所得納米結(jié)構(gòu)激子擴(kuò)散長度達(dá)到~40 nm，自由電荷擴(kuò)散長度達(dá)到~105 nm，自由電荷漂移長度達(dá)到~2700 nm（在短路條件下估計(jì)）。

其成功在于光電參數(shù)和形態(tài)特征長度之間的良好匹配，有效地利用了激子和自由電荷。這種策略使得激子擴(kuò)散長度增加和復(fù)合率降低，因此與二元對(duì)應(yīng)物相比，三元器件中的光子對(duì)電子損失最小。雙原纖維網(wǎng)絡(luò)形態(tài)策略可最大限度地減少損耗并最大限度地提高功率輸出，從而為單結(jié)有機(jī)光伏電池提供了20%的功率轉(zhuǎn)換效率的可能性。共混薄膜中聚合物供體和非富勒烯受體（NFA）原纖維的成熟結(jié)晶使得混合區(qū)減少并抑制復(fù)合。結(jié)果顯示，記錄的FF約為82%，在優(yōu)化的單結(jié)OSCs中，平均PCE突破19.3%（認(rèn)證為19.2%），最大值為19.6%。在具有相似形態(tài)的平行實(shí)驗(yàn)中看到了類似的改進(jìn)，顯示了DFNM的光明前景。

圖1.?材料和器件性能

圖2.?薄膜的形態(tài)

圖3.?器件物理特性

圖4. L8-BO的單晶結(jié)構(gòu)

圖5.?激子擴(kuò)散長度和器件參數(shù)

Zhu, L., Zhang, M., Xu, J. et al. Single-junction organic solar cells with over 19% efficiency enabled by a refined double-fibril network morphology. Nat. Mater. (2022). https://doi.org/10.1038/s41563-022-01244-y

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打破紀(jì)錄！上海交大劉烽今日Nature Materials！

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