前言
有機光伏（OPV）電池因其輕薄柔性、可印刷等優勢，被視為具潛力的下一代可再生能源技術。然而，效率和穩定性不足一直制約著OPV的商業化應用。
中科院侯劍輝團隊發表在期刊《Advanced Energy Materials》(29 Mar.Doi:10.1002/aenm.202303605)上的研究成果顯示，通過在非富勒烯受體材料中引入吡咯環，可以顯著提升有機光伏（OPV）電池在室內光照下的發電性能。研究團隊設計合成了兩種新型材料FICC-EH和FICC-BO，并發現它們在有機發光二極管（OLED）中展現出優異的量子效率，其中FICC-BO基OLED器件的量子效率更是高達0.1%，這在OPV材料中屬于相當亮眼的成績。更重要的是，基于FICC-BO的OPV電池在室內1000 lux LED光照下實現了25.4%的功率轉換效率（PCE），遠高于標準光照（AM1.5G）下的12.0% PCE，充分展現了吡咯環在提升室內OPV電池性能方面的巨大潛力。
導讀目錄
1. 前言
2. 研究方法－烷基鏈調控與合成路線全解析
3. 表征方法
l 光電性能測量
l 光學性質測量
l 結構和形態學分析
l 化學結構和組成分析
l 電化學性質測量
4. 結論－提升有機光伏電池性能的策略：吡咯環
研究方法－烷基鏈調控與合成路線全解析
為了設計和合成兩種新型材料FICC-EH和FICC-BO，研究人員首先在共軛骨架中加入了兩個吡咯環，并對吡咯環上的烷基鏈進行了調節，以控制其聚集特性。具體的合成路徑如下：
FICC-EH和FICC-BO的合成使用了Na2CO3作為催化劑，在THF/H2O（5:1）混合溶劑中，以Pd(PPh3)2Cl2作為催化劑，反應溫度為60℃。
接著使用三乙基磷酸酯和o-二氯苯在180℃下進行反應，然后使用KOH、KI和DMF在100℃下進行反應。
最后使用POCI3和DMF在室溫下進行反應，并使用吡啶和氯仿在室溫下進行反應。
通過這些步驟，研究人員成功合成了FICC-EH和FICC-BO，并通過量子化學計算和實驗測試來優化其結構和光電特性。
表征方法
光電性能測量：
J-V測量：評估太陽能電池的光電轉換效率，利用Enlitech的SS-X50太陽能模擬器進行J-V測量，評估OPV電池在標準太陽光照條件（AM1.5G）下的開路電壓（Voc）、短路電流密度（Jsc）、填充因子（FF）和功率轉換效率（PCE）。
EQE（外部量子效率）測量：使用Enlitech的QE-R3011太陽能電池光譜響應測量系統被用來測量外部量子效率（EQE）光譜，評估太陽能電池在不同波長下的光電轉換效率。
圖5b：展示了PBQx-TF和PBQx-TF基電池的外部量子效率（EQE）曲線。
EQEEL（電致發光外部量子效率）測量：使用Enlitech的ELCT-3010（現Enlitech REPS）測量EQEEL曲線，評估材料的電致發旋光性能。
根據圖2a，FICC-EH和FICC-BO的EQEEL值約為4.1 x 10^-4，這顯著高于ITIC系列，并接近Y系列的水平。
FTPS-EQE測量：利用Enlitech的PECT-600（現Enlitech FTPS）進行FTPS-EQE測量，分析電池的能量損失（Eloss）和帶隙（Eg），并確定材料的光電轉換特性。
圖S12a：展示電致發光和高靈敏度外部量子效率（s-EQE）測量，以研究兩種有機光伏（OPV）電池的能量損失（Eloss）。在圖S12a（支持信息）中顯示，OPV電池的帶隙（Eg）可以通過dEQE/dE的導數來確定。PBQx-TF和PBQx-TF基電池的帶隙分別為1.69 eV和1.70 eV
圖S12b、c：s-EQE曲線的擬合結果，從而幫助確定PBQx-TF和PBQx-TF基電池的能量損失（Eloss）。這些電池的Eloss分別為0.65 eV和0.66 eV。
Photo-CELIV（光誘導電荷載流子提取）測量：評估太陽能電池的電荷載流子動力學。
OLED性能測量：使用Enlitech的LQ-50X測量OLED的性能，包括發光光譜和發光效率，其中FICC-BO被用作OLED的發光層材料。
Figure 2b：這張圖表展示了OLED的結構，具體為ITO/PEDOT/FICC-BO/TPBi/LiF/Al。這有助于理解OLED的組成和層次結構。
Figure 2c：顯示了OLED的發射光譜，主要覆蓋700到850 nm的范圍，并在759 nm處達到發射峰值。表示OLED的發光特性和顏色純度
Figure 2d：展示了OLED在寬電壓范圍內的量子效率（QE）值，顯示出穩定的0.1% QE，這表明OLED的性能穩定性。
光學性質測量：
TA（瞬態吸收）測量：研究材料的激發態動力學。
紫外-可見吸收光譜測量：測量材料的吸收光譜。
圖1d：FICC-EH和FICC-BO在溶液和薄膜狀態下的紫外-可見吸收光譜。這些光譜顯示了它們的最大吸收峰和吸收起始點，
室內光譜輻射度校準：校準室內光的譜放射度。
圖5h：用于室內OPV電池測試的3000K LED光源的發射光譜。
o LED（3000K）的譜放射度測量：使用Enlitech的HS-IL分光計校準室內光（LED，3000K）的譜放射度，并利用3000K LED燈提供1000 lux的照明，模擬室內照明條件，評估OPV電池在室內環境下的Voc、Jsc、FF和PCE。
結構和形態學分析：
GIWAXS（掠入射廣角X射線散射）測量：分析材料的晶體結構和薄膜形態。
AFM（原子力顯微鏡）測量：觀察材料的表面形態。
化學結構和組成分析：
NMR（核磁共振）測量：確定材料的化學結構。
MALDI-TOF質譜測量：分析材料的分子質量和化學組成。
電化學性質測量：
電化學循環伏安法測量：研究材料的氧化還原行為和能級。
結論－提升有機光伏電池性能的策略：吡咯環
本研究證實，在非富勒烯受體材料（NFAs）的共軛骨架中引入吡咯環，可以提升其光電性能，為開發高效有機光伏（OPV）電池提供助力。
設計合成的兩種新型非富勒烯受體材料FICC-EH和FICC-BO，在有機發光二極管（OLED）中展現出良好的量子效率。其中，FICC-BO基OLED器件的量子效率達到0.1%。
此外，基于FICC-BO的OPV電池在標準光照（AM1.5G）下實現了12.0%的功率轉換效率（PCE），在室內1000 lux LED光照下實現了25.4%的PCE，證實了吡咯環在提升OPV電池性能方面的潛力。
吡咯環的引入為降低OPV電池的能量損失和拓展其在光電領域的應用提供了可能性，未來有望在室內光伏等領域發揮作用。
文獻參考自Advanced Energy Materials 29 Mar_Doi:10.1002/aenm.202303605
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