有機(jī)光伏電池（OPVs）以其輕薄,、柔性、可印刷等優(yōu)勢,，在過去幾年中吸引了廣泛的關(guān)注，被認(rèn)為是下一代光伏技術(shù)的理想選擇,。然而,，OPVs 的效率和穩(wěn)定性仍然落后于傳統(tǒng)硅太陽能電池。非稠合受體材料因其結(jié)構(gòu)簡單,、成本低廉,，備受研究人員關(guān)注，但基于非稠合受體材料的器件效率一直難以突破,。
中國科學(xué)院化學(xué)研究所侯建輝教授團(tuán)隊(duì)近期取得重大突破,，通過巧妙設(shè)計(jì)合成新型非稠合受體材料，成功將基于全非稠合受體材料的器件效率提升至 16.1%,，創(chuàng)下了該領(lǐng)域的新紀(jì)錄,。這一研究成果發(fā)表在國際頂尖期刊《Journal of the American Chemical Society》上。
非稠合受體材料：挑戰(zhàn)與機(jī)遇
非稠合受體材料,，如噻吩-苯-噻吩 (TBT) 結(jié)構(gòu),，因其結(jié)構(gòu)簡單及多樣性、易于合成加工,，具有成本優(yōu)勢,，另外，可調(diào)控光電性質(zhì)其能級,、帶隙和電荷遷移率,，以滿足不同應(yīng)用需求，因此在有機(jī)光伏領(lǐng)域備受關(guān)注,。然而,，由于其分子結(jié)構(gòu)的限制，基于非稠合受體材料的器件效率普遍較低,。
l 分子堆積： 非稠合受體材料的分子間作用力較弱,，容易形成無序的分子堆積，阻礙電荷傳輸,，降低器件效率,。
l 能量損失： 非稠合受體材料的電致發(fā)光效率較低，導(dǎo)致更多的能量以非輻射形式損失,，降低器件的開路電壓 (VOC) 和能量轉(zhuǎn)換效率,。
l 穩(wěn)定性表現(xiàn)較差: 易受到氧氣和濕氣的影響，導(dǎo)致性能衰減,。
l 缺乏系統(tǒng)研究：目前對非稠合受體材料的研究相對較少,，缺乏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化策略，阻礙了其全面發(fā)展。
團(tuán)隊(duì)的創(chuàng)新策略
針對非稠合受體材料的缺陷,，提出了巧妙的分子設(shè)計(jì)策略,，有效地提升了器件的效率。研究人員設(shè)計(jì)合成了三種 TBT 基受體材料：TBT-10,、TBT-11 和 TBT-13,。
l 側(cè)鏈工程： 通過在 TBT 單元上引入不同位置的支鏈，研究人員發(fā)現(xiàn),，僅在 α 位引入具有較大空間位阻的支鏈的 TBT-13,，展現(xiàn)出更平坦、更穩(wěn)定的構(gòu)型,。
l 優(yōu)化分子堆積： TBT-13 與供體材料 PBQx-TF 混合後,，能夠形成更有利的 π-π 堆積和聚集特性，有效提升了器件的電荷傳輸性能,。降低陷阱密度： 高結(jié)晶性的 α-FAPbI3 薄膜具有更低的陷阱密度,，有利于電荷傳輸，減少電荷重組,，提高器件的效率,。
突破性的成果
l 基于 TBT-13 的 OPV 器件的能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到 16.1%，突破了基于全非稠合受體材料的器件效率紀(jì)錄,。
l 該研究為設(shè)計(jì)合成高性能,、低成本的有機(jī)光伏材料提供了新的思路，為推動有機(jī)光伏技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供了重要參考,。
未來展望
未來,，研究人員將繼續(xù)探索如何設(shè)計(jì)合成具有更高電致發(fā)光效率和更寬光譜響應(yīng)的非稠合受體材料，并結(jié)合先進(jìn)的表征手段和模擬計(jì)算,，進(jìn)一步提升有機(jī)光伏電池的效率和穩(wěn)定性,。
材料優(yōu)化的可能性
l 分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)： 可以進(jìn)一步探索不同結(jié)構(gòu)的非稠合受體，例如,，通過引入其他共軛單元,，調(diào)節(jié)分子能級和電子云分布，提高電致發(fā)光效率和光譜響應(yīng)范圍,。
l 側(cè)鏈修飾： 可以對側(cè)鏈進(jìn)行修飾,，例如，調(diào)整側(cè)鏈的長度和分支結(jié)構(gòu),，以優(yōu)化分子堆積和薄膜形貌,，提高器件的穩(wěn)定性和電荷傳輸性能。
l 材料合成工藝： 可以開發(fā)新的合成方法,，以制備更純凈,、更均一的非稠合受體材料,，進(jìn)一步提高器件的效率。
可能的應(yīng)用領(lǐng)域
期許在未來發(fā)展非稠合受體材料的有機(jī)光伏電池上,，因其結(jié)構(gòu)簡單,、成本低廉、可印刷等優(yōu)勢,，具有廣闊的應(yīng)用前景，例如：
l 柔性太陽能電池： 可用于柔性顯示器,、穿戴式電子設(shè)備等,。
l 透明太陽能電池： 可用于建筑玻璃、汽車玻璃等,，實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保,。
l 低成本太陽能電池： 可用于大規(guī)模應(yīng)用，例如,，用于分布式光伏發(fā)電系統(tǒng),。
Fig S11.該圖展示了兩種基于 TBT-13 的 OPV 器件的 J-V 曲線和 EQE 曲線。
重要性： 該圖展示了不同供體材料與 TBT-13 形成的 OPV 器件的性能,，幫助比較不同供體材料對器件效率的影響,。
Fig S12. 該圖展示了不同材料體系的歸一化電致發(fā)光 (EL) 光譜和 s-EQE 光譜以及相應(yīng)的擬合曲線，以及 PTVT-BT: A4T-32 器件的 EQEEL 曲線,。
重要性： 該圖幫助分析不同材料體系的電致發(fā)光效率,，并比較不同器件的電致發(fā)光性能。
Fig S16.該圖展示了不同材料體系的 VOC 和 JSC 與光強(qiáng)度的關(guān)系,。
重要性： 該圖幫助分析器件的電荷分離和傳輸效率,，以及器件的性能與光強(qiáng)度的關(guān)系。
原文出處: Journal of the American Chemical Society
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