有機太陽能電池（OSCs）作為一種新型光伏技術，因其成本低廉、可柔性化、可印刷等優勢，近年來備受關注。為了進一步提升 OSCs 的效率，研究人員不斷探索新型的電子受體材料，其中非稠環電子受體 (NFREAs) 因其合成成本低于稠環受體而備受青睞。然而，NFREAs 的分子結構特點，如低骨架平面性和龐大的取代基，會導致其結晶度較差，進而阻礙電荷傳輸和形成有利于電荷分離的雙連續結構，影響器件的效率。
【非稠環電子受體材料：低成本的潛力之星】
傳統的有機太陽能電池主要采用稠環電子受體材料，例如ITIC、Y6 等。這些材料具有良好的平面性和強烈的分子間相互作用，有利于形成有序的晶體結構，提高電荷傳輸效率。然而，稠環受體的合成步驟復雜，成本較高，限制了其大規模應用。
非稠環電子受體 (NFREAs) 相比稠環受體，具有合成步驟簡單、成本低廉的優勢。但由于其分子結構特點，如低骨架平面性和龐大的取代基，導致其結晶度較差，進而影響電荷傳輸和器件效率。
其對電池性能的提升具有重要意義。以下是一些關鍵性因素：
l 分子結構的多樣性：非稠環電子受體材料通常具有靈活的分子設計空間，能夠通過引入不同的官能團或改變分子骨架結構，調節其光電性能。這種設計自由度有助于優化材料的能級匹配、吸收光譜和電子傳輸性能，從而提高太陽能電池的整體效率。
l 低能隙和高吸光系數：許多非稠環電子受體材料具有較低的能隙和較高的吸光系數，能夠有效吸收太陽光的可見光部分。這種特性使得它們在更寬的光譜范圍內捕捉光子，提升光電轉換效率。
l 改善的電子遷移率：非稠環電子受體材料在分子設計上可以優化電子遷移率，減少電子-空穴對在傳輸過程中的復合損失。高電子遷移率有助于提升電池的短路電流和填充因子，從而增強電池的整體性能。
l 穩定性和可加工性：這些材料通常表現出較好的環境穩定性和溶液加工特性，使得它們在大面積制備和實際應用中具有優勢。穩定的材料性能可以延長太陽能電池的使用壽命，而良好的可加工性則有助于降低生產成本。
l 界面工程的優化：在有機太陽能電池的制備過程中，非稠環電子受體材料能夠與其他層（如給體材料、界面層）形成良好的界面，減少界面缺陷和能級錯配問題。優化的界面工程可以進一步提升電荷分離效率和電池的整體性能。
【溶解度控制策略：精準調控材料結晶和相分離】
為了克服 NFREAs 結晶度差的難題，上海交通大學劉峰研究員團隊 與 北京師范大學薄志山教授團隊 和 北京航空航天大學朱磊研究員團隊 合作，提出了一種基于溶解度控制策略，精準調控電子給體和受體材料的結晶和相分離過程，從而提高器件效率。
該團隊選擇了一對溶劑：氯仿和鄰二甲苯，它們具有不同的沸點和蒸發速率，以及對不同材料的溶解性差異。通過控制兩種溶劑的揮發速率，他們成功實現了對電子給體聚合物 (例如 D18) 和非稠環電子受體 (例如 2BTh-2F-C2) 的結晶和相分離的獨立調控。
【雙連續結構：高效電荷分離的關鍵】
該團隊通過實驗觀察發現，氯仿的揮發會導致 D18 開始組裝成纖維狀結構，而鄰二甲苯的揮發則會誘導 2BTh-2F-C2 快速形成純相域，最終形成一種雙連續結構。這種結構使得電子給體和受體材料在活性層中形成互穿網絡，有效地擴大了電荷分離和傳輸的界面，提高了電荷傳輸效率和器件的功率轉換效率。
基于這種溶解度控制策略，該團隊成功制備了高效的有機太陽能電池。小面積器件的效率達到 19.02%，1 cm2 器件的效率也達到了 17.28%，這是目前非稠環電子受體材料體系中較高的效率。
【展望】
該研究團隊利用溶解度控制策略，巧妙地調控了電子給體和受體材料的結晶和相分離，最終獲得了高效的雙連續結構，突破了非稠環電子受體材料在有機太陽能電池中的應用瓶頸。這項研究為開發低成本、高效的有機太陽能電池提供了新的思路和方向，為未來更廣泛的應用開辟了新的路徑。
研究團隊: 該研究由 上海交通大學劉峰團隊 與 北京師范大學薄志山團隊 和 北京航空航天大學朱磊團隊 合作完成。
l 上海交通大學劉峰副研究員-主要研究領域為強激光驅動的高次諧波輻射、激光尾波場電子加速。
l 北京師范大學薄志山教授-主要研究領域有共軛聚合物合成，光電功能分子，聚合物太陽電池及共軛分子自組裝。
l 上海交通大學朱磊-主要研究領域有機太陽能電池。
未來，研究人員將繼續探索更有效的材料和工藝，以進一步提高有機太陽能電池的效率和穩定性，為實現有機光伏技術的廣泛應用奠定堅實基礎
參考文獻
Achieving 19% efficiency in non-fused ring electron acceptor solar cells via solubility control of donor and acceptor crystallization Nature Energy 2024
【本研究參數圖】
Fig 2. 設備性能:圖a: 電流密度-電壓曲線，展示了不同設備在不同電壓下的電流密度。圖b: 外量子效率(EQE)隨波長變化的曲線，比較了不同設備的光電響應。圖c: 功率轉換效率(PCE)的直方圖，顯示了不同設備的PCE分布。圖d: PCE與活性層厚度的關系圖，展示了不同設備在不同厚度下的PCE變化。圖e: 雷達圖，比較了不同設備在PCE、Jsc、Voc和FF四個參數上的性能。圖f: 熱圖，展示了不同設備在不同參數組合下的PCE值。
Fig 3. 圖a: 顯示了不同材料（GQDs、CQDs、CQDs/ET）的延遲時間與光強度的關系。圖b: 柱狀圖比較了不同材料在不同溫度下的光電流（Iph）。圖c: 顯示了不同材料在不同柵壓（Vg）下的電流-電壓（I-V）特性曲線。圖d: 顯示了不同材料在不同電荷密度下的遷移率（Mobility）。圖e: 顯示了不同材料在不同電荷密度下的電導率（Conductivity）。圖f: 顯示了不同材料在不同電荷密度下的電流-電壓（I-V）特性曲線。
使用設備：
QE-R_ 光伏/ 太陽能池量子效率光學儀
以下幾點優勢，可應對材料測試面臨的挑戰：
l 以緊湊的設計，尺寸大小 502.4mm(L) x 322.5mm(W) x 352mm(H)，搭配4吋外徑PTFE材質的積分球，并且整合NIST追溯的校準，讓手套箱整合PL與PLQY成為可能。
l 利用先進的儀表控制程序，可以進行原位時間PL光譜解析，并且可產生2D與3D圖表，說明使用者可以更快地表征材料在原位時間的變化。
l 系統光學設計可容易的做紅外擴展，波長由700-1100nm， 可展延至1700nm。粉末、溶液、薄膜樣品都可相容測試。
文獻參考自 NATURE ENERGY DIO:10.1038/s41560-024-01564-0
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