北理工團(tuán)隊(duì)在三元鑄態(tài)有機(jī)光伏電池研究中取得重要進(jìn)展
發(fā)布日期：2026-03-04 供稿：化學(xué)與化工學(xué)院 攝影：化學(xué)與化工學(xué)院
編輯：田柳 審核：王振華 閱讀次數(shù)：
近期，北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院安橋石團(tuán)隊(duì)在《Science Bulletin》上發(fā)表題為“Synergistic effect of two complementary acceptors assists high-efficiency as-cast organic solar cells”的研究論文。北京理工大學(xué)為唯一通訊單位，安橋石特別研究員為為本論文唯一通訊作者。
得益于新型非富勒烯受體與聚合物給體材料的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，單結(jié)有機(jī)光伏電池的光電轉(zhuǎn)換效率已突破20%，初步滿(mǎn)足其商業(yè)化生產(chǎn)的效率需求。然而，高效率器件普遍依賴(lài)于復(fù)雜的前/后處理工藝（如熱溶液、熱基底、熱退火、溶劑熏蒸等），這些復(fù)雜的優(yōu)化工藝難以兼容卷對(duì)卷印刷、狹縫涂布等低成本大面積制備技術(shù)，導(dǎo)致生產(chǎn)成本攀升與器件批次穩(wěn)定性下降。其次，多步工藝疊加將加劇活性層結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系的復(fù)雜性，阻礙材料體系的迭代優(yōu)化。因此，開(kāi)發(fā)活性層無(wú)需任何處理工藝的鑄態(tài)器件成為該領(lǐng)域突破產(chǎn)業(yè)化瓶頸的關(guān)鍵方向。
圖1. 活性層材料的基本性質(zhì)和分子間相互作用
基于此，該工作通過(guò)選用化學(xué)結(jié)構(gòu)相似的兩種小分子受體Y6和Y6-1O，與聚合物給體D18匹配制備鑄態(tài)有機(jī)光伏電池。兼容性良好的兩種小分子受體具有互補(bǔ)的帶隙和能級(jí)，因此通過(guò)調(diào)控Y6和Y6-1O的摻雜比例，有助于優(yōu)化三元器件的短路電流密度與開(kāi)路電壓的平衡。成膜動(dòng)力學(xué)、活性層形貌和理論計(jì)算研究結(jié)果表明，Y6-1O具有更強(qiáng)的聚集性，且其與給體D18的結(jié)合能高于Y6與D18的值，這使得D18:Y6-1O二元體系具有更快的成膜過(guò)程。有趣的是，通過(guò)調(diào)控三元體系中Y6-1O的含量能夠調(diào)節(jié)活性層成膜時(shí)間，可以有效地控制D18分子的聚集。最終構(gòu)筑出有利于激子解離、電荷傳輸與收集的理想活性層形貌，從而顯著降低了三元器件的能量損失并提升了填充因子。得益于這兩種受體分子的協(xié)同作用，最終制備出效率為19.51%的三元鑄態(tài)器件。
圖2. 活性層成膜動(dòng)力學(xué)過(guò)程
該研究系統(tǒng)闡釋了分子間相互作用、成膜動(dòng)力學(xué)、活性層形貌與器件性能之間的構(gòu)效關(guān)系，為高效鑄態(tài)有機(jī)光伏電池的開(kāi)發(fā)提供了理論指導(dǎo)。
該成果得到了國(guó)家自然科學(xué)基金，北京市自然科學(xué)基金，北京理工大學(xué)科技創(chuàng)新計(jì)劃等項(xiàng)目的資助以及北京理工大學(xué)分析測(cè)試中心的支持。
文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.scib.2025.06.039
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