苏州大学李耀文、陈海阳团队JACS新突破:瞬态偶极子策略赋能高度定向自组装单层,有机太阳能电池效率逼近21%

来源:先进光伏发布时间:2025-09-15 09:13:00

论文概览

针对有机太阳能电池(OSCs)中空穴传输层(HTL)分子偶极矩小、排列无序导致界面能量损失严重的问题,该团队创新性地提出瞬态偶极策略,设计合成新型SAM材料Th-Cz。该分子在热退火过程中形成瞬态共振结构(tr-Cz),使其偶极矩从1.90 D提升至3.81 D,增强分子间偶极-偶极相互作用,实现高度有序排列与垂直取向。基于PM6:Y6和D18-Cl:N3:AT-β2O体系的器件分别实现19.34%和20.91%(认证效率20.67%)的效率,后者创下单结OSCs认证效率世界纪录。该研究以"Transient Dipole Strategy Boosts Highly Oriented Self-Assembled Monolayers for Organic Solar Cells Approaching 21% Efficiency"为题发表于Journal of the American Chemical Society。

技术亮点

1.瞬态共振结构:Th-Cz在100°C退火下形成tr-Cz,偶极矩提升至3.81 D,促进有序自组装。

2.高度取向偶极:SFG光谱显示Th-Cz薄膜具有垂直于基底的偶极取向,增强界面极化与空穴提取。

3.垂直相分离调控:范德华力作用诱导给体优先结晶,形成底部分子富集相,平衡载流子迁移率。

研究意义

✅效率突破:D18-Cl:N3:AT-β2O体系效率达20.91%,认证效率20.67%。

✅界面损失抑制:有序偶极排列显著降低非辐射复合,提升VOC与FF。

✅载流子传输优化:垂直相分离结构实现更平衡的电子/空穴迁移率。

✅通用性与柔性兼容:在PM6:L8-BO、PM6:BTP-eC9等体系中均表现优异,柔性器件效率达19.63%。

深度精读

图1:分子结构与电子特性对比分析

该图展示了2PACz和Th-Cz的分子结构、电子特性及共振现象。图1a比较了两种分子的化学结构和偶极矩,显示Th-Cz通过引入噻吩基团形成了瞬态共振结构(tr-Cz),其偶极矩是2PACz的两倍。图1b的静电势(ESP)分布显示Th-Cz的噻吩基团具有更强的负电性。图1c的盆地分析和图1d的平均局部电离能(ALIE)进一步证实了Th-Cz的电子离域特性。图1e的电子自旋共振(ESR)谱表明Th-Cz在100°C时形成瞬态自由基,而2PACz无此现象,这为Th-Cz的瞬态共振结构提供了实验证据。

图2:热退火对分子排列与取向的影响

该图研究了热退火对分子排列和取向的影响。图2a和2b的紫外-可见吸收光谱显示,Th-Cz在100°C退火后吸收峰红移,表明形成了有序组装。图2d的和频振动光谱(SFG)显示退火后的Th-Cz薄膜在1600和3100 cm⁻¹处的特征峰强度增强,证实了分子偶极垂直于基底的取向排列(图2e)。相比之下,2PACz的SFG信号无明显变化,说明Th-Cz的瞬态共振结构促进了高度有序的分子排列。这种取向排列有助于提高空穴传输层的极化和电学性能。

图3:电学性能与垂直相分离表征

该图展示了不同空穴传输层的电学性能和活性层的垂直相分离特性。图3a的载流子迁移率分析表明Th-Cz薄膜的能量无序参数(σ)从2PACz的63 meV降至39 meV,说明分子有序性提高。图3b的I-V曲线显示Th-Cz的导电性优于2PACz。图3c的表面电位测试和UPS测量(图S9)证实Th-Cz具有更高功函数(5.28 eV)。图3d的薄膜深度依赖光吸收谱(FLAS)显示Th-Cz基活性层底部给体(PM6)含量达63.5%,形成了给体富集的垂直相分离结构,这有利于平衡载流子迁移率。

图4:结晶动力学与激子生成调控机制

该图揭示了Th-Cz调控活性层结晶动力学和激子生成的机制。图4a的原位紫外吸收表明Th-Cz基活性层中PM6先于Y6结晶,形成给体富集的底部相。图4b的结合能计算和图4c的二维核磁共振谱证实Th-Cz与PM6之间存在强范德华相互作用(-30.36 kcal/mol),而Th-Cz与Y6相互作用较弱(-14.44 kcal/mol)。图4d的激子生成轮廓显示Th-Cz基活性层的最大激子生成区位于膜中层(57 nm深度),不同于PEDOT:PSS和2PACz基器件的底部生成(73-76 nm),这种分布有利于平衡电荷传输。

图5:器件性能与稳定性全面评估

该图系统比较了不同空穴传输层有机太阳能电池的性能和稳定性。图5a的J-V曲线显示Th-Cz基器件效率,优于PEDOT:PSS和2PACz。图5b的统计分布和图5c的外量子效率(EQE)谱验证了结果的可靠性。图5d的雷达图表明Th-Cz器件在开路电压(0.86 V)、填充因子(80.42%)和非辐射能量损失等方面具有优势。图5e的最大功率点跟踪测试显示Th-Cz器件在1500小时光照后仍保持80%初始效率,展现了优异的操作稳定性。

图6:普适性验证与柔性器件突破

该图展示了Th-Cz在不同活性层体系和柔性器件中的卓越表现。图6a的效率统计表明Th-Cz在PM6:L8-BO(18.93%)、PM6:BTP-eC9(19.27%)和D18-Cl:N3:AT-β2O(20.91%)体系中均实现性能突破。图6b的J-V曲线显示D18-Cl:N3:AT-β2O基器件获得20.91%效率(认证20.67%),创下单结有机太阳能电池纪录(图6c)。图6d-e的柔性器件在PET基底上实现19.63%效率(图6f),展现了Th-Cz在柔性电子领域的应用潜力。这些结果证实了瞬态偶极策略对不同活性层和基底的广泛适用性。

结论展望

该团队通过瞬态偶极策略成功开发出新型SAM材料Th-Cz,其在热退火过程中形成高偶极矩共振结构,实现高度有序排列与垂直偶极取向,显著提升界面空穴提取能力与载流子传输平衡性。基于该策略的OSCs实现了20.67%的认证效率,柔性器件效率达19.63%,均创下相应体系纪录。该策略为高性能、高稳定性HTL的设计提供了新思路,具备良好的通用性与产业化潜力。未来可进一步拓展至其他光电体系,并结合理论计算深入解析瞬态偶极形成机制,推动OSCs向商业化应用迈进。

文献来源

Mou, H., Yin, Y., Chen, H., et al. Transient Dipole Strategy Boosts Highly Oriented Self-Assembled Monolayers for Organic Solar Cells Approaching 21% Efficiency.J. Am. Chem. Soc.2025,147, 21241–21251.

DOI:10.1021/jacs.5c08124.

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责任编辑:wanqin
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